Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко

Тема 3. Дисперсія світла. Світлофільтри

Будете навчатися:

розуміти будову білого світла;
розуміти, чому ми бачимо кольори;
використовувати здобуті знання в повсякденному житті.

Досліди щодо розкладання білого світла у спектр

Сучасні погляди на природу кольорів базуються на відкритті видатного англійського науковця Ісаака Ньютона (рис. 8.1). 1666 року Ньютон провів дослід, у якому спрямував промінь сонячного світла на скляну трикутну призму. Проходячи крізь призму, промінь світла заломився, і на протилежній стіні з'явилася кольорова смуга, яку Ньютон назвав спектром. Явище розкладання світла призмою він назвав дисперсією (рис. 9.22).

Рис. 9.22. Розкладання білого світла на кольори

Дисперсією називається явище розкладання світла на кольори під час проходження його крізь речовину. У спектрі Ньютон виділив сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Запам'ятати послідовність цих кольорів допоможе така мнемонічна фраза: «Чарівна Осінь Жалкує — Зима все в Білий Сніг Фарбує».

Після експерименту Ньютон зробив такі висновки:

1. Розкладання білого світла в кольоровий спектр означає, що біле світло має складну структуру, тобто є сумішшю всіх кольорів веселки.

2. Світло різних кольорів характеризується різними показниками заломлення в певному середовищі.

3. Найменшого відхилення від початкового напрямку падіння зазнають червоні промені, а найбільшого — фіолетові.

Попрактикуйтеся

1. Поміркуйте, що відбудеться, якщо розкладений на спектр промінь знову пропустити крізь скляну трикутну призму.

2. Висловіть припущення, що відбудеться, якщо крізь скляну трикутну призму пропустити монохроматичний промінь світла?

3. Як утворюється веселка? Чи можна спостерігати веселку на небі за умов сильної хмарності?

Основні та доповняльні кольори

Ще одну важливу властивість світлових променів відкрив 1807 року англійський науковець Томас Юнг. Він отримав біле світло накладанням лише світла трьох кольорів: червоного, зеленого, синього. Юнг назвав їх основними кольорами. Інші кольори та їх відтінки можна отримати накладанням основних кольорів у різних пропорціях, наприклад, коричневий, бузковий. Але жодним змішуванням неможливо отримати основні — зелений, червоний і синій.

Рис. 9.23. Англійський фізик Томас Юнг (13.06.1773 — 01.05.1829)

Рис. 9.24. Утворення кольорів за допомогою основних кольорів

Деякі пари кольорів у разі накладання один на один утворюють білий колір. Такі пари кольорів називають доповняльними. Так, доповняльними є червоний і зелений кольори, жовтий і фіолетовий, синій та оранжевий (рис. 9.25).

Рис. 9.25. Доповняльні кольори

Необхідно добре усвідомити різницю між змішуванням фарб і світлових променів. Якщо на уроках образотворчого мистецтва ви змішували зелену, червону і синю фарби, то отримували чорний колір (рис. 9.26 (б), а от під час змішування трьох світлових кольорів — червоного, зеленого, і синього — отримують білий колір (рис. 9.26 (а)).

Рис. 9.26. Змішування світлових пучків (а) та змішування фарб (б)

Завдання 9.3. Спостереження утворення білого кольору

Спостереження явища утворення білого кольору за допомогою диска Ньютона.

1. Розгляньте модель диска Ньютона (рис. 9.27). Поміркуйте, які прилади для проведення дослідження вам знадобляться та приготуйте їх.
2. Коло білого кольору розділіть на сім рівних сегментів та надайте кожному сегменту один із кольорів спектра.
3. Зробіть отвір в центрі кола та розташуйте його на осі обертання.
4. Обертайте диск з різною швидкістю та спостерігайте за результатом.
5. Опишіть ваші спостереження.

Рис. 9.27. Диск Ньютона

Забарвлення предметів

Знаючи, що біле світло є складним, можна пояснити, чому навколишній світ, освітлений лише одним джерелом білого світла — Сонцем, ми бачимо різноколірним.

Як вам уже відомо, світло частково відбивається від фізичних тіл, частково заломлюється і частково поглинається ними. Ці процеси залежать від оптичних властивостей матеріалу, з якого складаються тіла, а також від кольору світлового пучка.

Колір будь-якого непрозорого тіла залежить від світла, яке воно відбиває. Троянда має червоний колір, тому що вона відбиває червоне світло і поглинає решту кольорів.

Рис. 9.28. Відбивання світла тілами різного кольору

Папір білого кольору відбиває світло всіх кольорів. Предмети здаються чорними, коли вони зовсім не відбивають світла, а повністю його поглинають (рис. 9.28). Колір прозорих тіл залежить від того, які промені світла проходять крізь них. Кольоровий фільтр пропускає крізь себе світло лише власного кольору. Решту кольорів світла фільтр поглинає. Наприклад, червоний фільтр пропускає лише червоне світло. На рис. 9.29 показано, що відбудеться, якщо використовувати різні кольори світла з червоним фільтром.

Рис. 9.29.

Попрактикуйтеся

4. Підготуйте різнокольорові картки (червону, синю, зелену, білу, чорну) та освітіть їх різними кольорами світла (наприклад, червоним, синім, зеленим). Спостерігайте, які кольори відбивають та поглинають ці картки. Запишіть результати та обговоріть їх у класі.

5. Поясніть, чому ми можемо спостерігати небо різних кольорів.

Сприйняття кольорів людиною

Ми сприймаємо світло завдяки тому, що його промені проходять крізь оптичну систему ока, заломлюються і потрапляють на сітківку — внутрішню оболонку ока. Там збудження обробляється й передається до кори головного мозку. Сітківка — це складна оболонка ока, що містить кілька шарів клітин, різних за формою і функціями. Отже, фоторецептори сприймають світло і перетворюють його енергію на нервовий імпульс. Далі інформація зоровими нервами передається до зорових зон кори великого мозку.

• Місце, де зоровий нерв виходить із сітківки, позбавлене фоторецепторів, у ньому світло не сприймається, і називається це місце — сліпою плямою. Предмети, зображення яких потрапляє на цю ділянку, ми не бачимо. Площа сліпої плями (в нормі) становить від 2,5 до 6 мм².

• Пігментний шар складається із епітеліальних клітин, які містять чорний пігмент фусцин. Він поглинає світлові промені, що сприяє чіткішому зображенню предметів.

• Палички мають видовжену форму, не розрізняють кольори, але дуже чутливі до світла, тому збуджуються навіть при малому, так званому сутінковому освітленні. Завдяки цьому ми можемо бачити навіть у погано освітленій кімнаті або в сутінках, коли контури предметів ледь вирізняються. Оскільки палички переважають на периферії сітківки, ми здатні бачити «куточком ока» те, що відбувається навколо нас.

• Рецепторний шар складається з світлочутливих клітин (фоторецепторів) — колбочок і паличок. У сітківці ока людини нараховують близько 130 млн паличок і 7 млн колбочок.

• Колбочки забезпечують сприймання форми і кольору предмета. Колбочки реагують на яскраве світло і забезпечують кольоровий зір. У сітківці містяться три види колбочок: одні сприймають червоний колір, інші — зелений, треті — синій. У результаті взаємодії всіх трьох видів колбочок ми бачимо різні кольори.

Наука в дії. Колірна сліпота

Деякі люди можуть мати порушення сприйняття кольорів, що призводить до колірної сліпоти. У разі повної колірної сліпоти всі об'єкти виглядають сірими. Часткове порушення кольорового зору, відоме як дальтонізм, названо на честь англійського хіміка Джона Дальтона, який уперше його описав.

Люди з дальтонізмом зазвичай не розрізняють червоні та зелені кольори. Це генетичне захворювання частіше зустрічається у чоловіків (6-8 %), ніж у жінок (0,4-0,5 %).

Лікування дальтонізму спрямоване на адаптацію до цього порушення, оскільки більшість випадків є генетичними і не піддаються корекції. Основні методи лікування:

1. Спеціальні окуляри та лінзи, які поліпшують розпізнавання кольорів.

2. Адаптивні технології, як-от програмне забезпечення та мобільні додатки, що змінюють кольорові схеми на екранах.

3. Освітні матеріали з адаптованими кольоровими палітрами.

Червоно-зелений дальтонізм діагностується за допомогою тесту Ishihara, розробленого у 1917 році. Тест складається з кольорових пластин з точками, які утворюють число або форму, добре помітні для тих, хто має нормальний колірний зір, і важко помітні для осіб з червоно-зеленими дефектами колірного зору. Тест Ishihara широко використовується завдяки простоті й точності.