Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 15 июня 2022 года; проверки требуют 7 правок.
Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона)
У этого термина существуют и другие значения, см. Дисперсия.
Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.
ТЕСТ ДИСПЕРСИЯ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА.
1. Разложение пучка солнечного света в спектр при прохождении его через призму объясняется тем, что свет состоит из набора электромагнитных волн разной длины, которые, попадая в призму,
А.движутся с разной скоростью
Б.имеют одинаковую частоту
В.поглощаются в разной степени
Г.имеют одинаковую длину волны
2. После прохождения белого света через красное стекло свет становится красным. Это происходит из-за того, что световые волны других цветов в основном
3. Узкий световой пучок после прохождения через прозрачную призму дает на экране спектр. Укажите правильную последовательность цветов в спектре.
А. ор-зел-син-гол Б. гол-син-зел-фиол
В. ор-жел-зел-гол Г. жел-ор-зел-гол
4. При выдувании мыльного пузыря при некоторой толщине пленки он приобретает радужную окраску. Какое физическое явление лежит в основе этого наблюдения?
5. На переднюю грань прозрачной стеклянной призмы падают параллельные друг другу зеленый и красный «лучи» лазеров. После прохождения призмы
А.они останутся параллельными
кр Б.они разойдутся так, что не будут
Г.ответ зависит от сорта стекла
А.отклонение от прямолинейности в распространении световых волн
Б.зависимость показателя преломления вещества от частоты световой волны
В.перераспределение энергии волн в пространстве при наложении волн друг на друга
Г.исчезновение преломленных лучей
7. Каким образом можно на опыте получить когерентные волны?
А.от двух источников одинаковой частоты
Б.от двух произвольных источников света
В.пропустив свет через стеклянную призму
Г.разделив световой пучок на две части
8. Ученик рассматривает записи в тетради, сделанные синими чернилами через оранжевое стекло. Какой цвет букв он увидит?
А. черный
Б. синий
В. зеленый
Г. оранжевый
ТЕСТ ДИСПЕРСИЯ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА.
1.Укажите правильное утверждение. Дисперсия проявляется в следующих природных явлениях:
1) цветные разводы на мыльной пленке 2) радуга
В.и1, и2 Г.ни 1, ни2
2.Верно утверждение (-я):
Дисперсией света объясняется физическое явление:
1)фиолетовый цвет мыльной пленки, освещаемой белым светом
2)окрашивание белого света проходящего через фиолетовое стекло
3.Для определения длин волн угол преломления световых лучей на границе воздух-стекло уменьшается с увеличением длины волны излучения. Ход лучей для трех цветов при падении белого света из воздуха на границу раздела показан на рисунке. Цифрам соответствуют цвета:
А.1-син Б.1-син В.1-кр Г.1-кр
2-зел 2-кр 2-зел 2-син
3-кр 3-зел 3-син 3-зел
5. На переднюю грань прозрачной стеклянной призмы падают параллельные друг другу оранжевый и фиолетовый «лучи» лазеров. После прохождения призмы
фиол Б.они разойдутся так, что не будут
А.огибание волнами препятствий
Б.сложение в пространстве волн
В.разложение бело света на составляющие семь цветов
Г.преломление на границе раздела двух сред
7. Световые волны когерентны, если у них
В.постоянен сдвиг фаз
Г.Б и В
8. Ученик рассматривает записи в тетради, сделанные красными чернилами через красное стекло. Какой цвет букв он увидит?
В.черный Г.ничего не увидит
9.Условие максимума интерференции когерентных волн
Впервые опыт по разложению света в спектр был сделан Исааком Ньютоном в 1666 году. Он проделал маленькое отверстие в оконном ставне и в солнечный день получил узкий пучок света, на пути которого поставил треугольную стеклянную призму. Пучок преломился в ней, и на противоположной стене появилась цветная полоса, где расположились в определённом порядке все цвета радуги: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Эту цветную полосу Ньютон назвал спектром (от латинского «спектрум» — видимое).
Наименьшего отклонения от первоначального направления падения испытывают красные лучи, а наибольшего — фиолетовые.
После такого эксперимента Ньютон сделал первый вывод: разложение белого света в цветной спектр означает, что белый свет имеет сложную структуру, то есть является составным, то есть смесью всех цветов радуги.
Второй вывод Ньютона состоял в том, что свет разных цветов характеризуется разными показателями преломления в определённой среде. Это означает, что абсолютный показатель преломления для фиолетовых цветов больший, чем для красных.
Зависимость показателя преломления света от его цветов Ньютон назвал дисперсией (от латинского слова dispersio — «рассеивание»).
Однако Ньютон был сторонником корпускулярной теории и объяснить явление дисперсии не мог.
Согласно волновой теории цвета света определяются частотой электромагнитной волны, которой является свет. Наименьшую частоту имеет красный свет, наибольшую — фиолетовый. Исходя из опытов Ньютона и опираясь на волновую теорию света, следует вывод: показатель преломления света зависит от частоты световой волны.
Дисперсия света — это явление разложения света в спектр, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления среды от частоты световой волны.
Что от чего зависит
Разным скоростям распространения волн соответствуют разные абсолютные показатели преломления среды.
То есть Значит, луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что он имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета — наименьшую.
Частота и длина волны связаны между собойИз формулы видно, что длина волны прямо пропорциональна скорости света и обратно пропорциональна частоте. Отсюда следует то, что длина волны больше в той среде, где скорость волны больше (при заданной частоте).
None Следовательно, во время перехода из одной среды в другую скорость распространения световой волны, а значит и длина волны, изменяется а частота, а значит и цвет света, остаётся неизменной.
Как глаз различает цвета?
На сетчатке глаза расположены светочувствительные элементы – нервные окончания, которые называют «палочками» и «колбочками». Палочки отличают только светлое от тёмного. Колбочки есть трёх типов – их условно называют «красные», «зелёные» и «синие».
Потому что «красные» колбочки наиболее чувствительны к красному цвету, «зелёные» — к зелёному, а «синие» — к синему. И всё многообразие видимых нами цветов обусловлено «сигналами», посылаемыми в мозг всего тремя типами колбочек.
Сложение цветовВычитание цветов
Так, например, Аристотель указывал всего три цвета радуги: красный, зеленый, фиолетовый. Ньютон вначале выделил в радуге пять цветов, а позднее – десять. Однако, впоследствии, он остановился на семи цветах.
Выбор объясняется, скорее всего, тем, что число семь считалось «магическим» (семь чудес света, семь недель и т. д. ).
Дисперсия света впервые была экспериментально обнаружена Ньютоном в 1666 г., при пропускании узкого пучка солнечного света через стеклянную призму. В полученном им спектре белого света он выделил семь цветов: Из этого опыта Ньютон сделал вывод, что «световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломления». Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше всех – красные.
Белый свет является сложным светом, состоящим из волн различной длины (частоты). Каждой цветности соответствует своя длина и частота волны: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего, фиолетового – такое разложение света называется спектром.
Волны различной цветности по-разному преломляются в призме: меньше красного, больше – фиолетового. Призма отклоняет волны разной цветности на разные углы. Такое их поведение объясняется тем, что при переходе световых волн из воздуха в стеклянную призму скорость волн «красного цвета» изменяется меньше, чем «фиолетового цвета». Таким образом, чем меньше длина волны (больше частота), тем показатель преломления среды для таких волн больше.
Дисперсией называется зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны). Для волн различной цветности показатели преломления данного вещества различны; вследствие этого при отклонении призмой белый свет разлагается в спектр.
При переходе монохроматической световой волны из воздуха в вещество длина световой волны уменьшается, частота колебаний остается неизменной. Неизменным остается цвет.
При наложении всех цветов спектра образуется белый свет. Почему же мы видим предметы окрашенными? Краска не создает цвета, она избирательно поглощает или отражает свет.
Дисперсия света (разложение света; светорассеяние) — это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от частоты световой волны.
Наверное, вы уже наблюдали явление образования разноцветной дуги в небе — радугу. Если нет, то, возможно, вы видели разноцветные капли росы солнечным утром. Если вам не нравится дождь и вы не любите вставать по утрам, поставьте перед собой стакан с газированной минеральной водой так, чтобы его освещали солнечные лучи. Затем вы увидите, что пузырьки газа в стекле меняют свой цвет и светятся. Все эти явления являются проявлениями разложения (дисперсии) света.
Разложение солнечного света с помощью призмы, проведенное Ньютоном в 1665-66 годах, было признано научным миром как один из десяти самых красивых экспериментов в истории физики. Таким образом, ученый продемонстрировал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь цветов. При этом повторное соединение всех цветов в спектре дает белый свет.
Разложение белого света
Физиком, который впервые доказал, что белый свет представляет собой смесь различных цветов, был Исаак Ньютон, первооткрыватель закона всемирного тяготения. Именно Ньютон использовал призму в своем эксперименте.
Призма — это твердое тело из оптически прозрачного материала (обычно стекла), представляющее собой призму с треугольным основанием. Когда свет проходит через призму, он преломляется дважды: сначала на границе раздела воздух-стекло (при входе в призму), а затем на границе раздела стекло-воздух (при выходе из призмы). Ход светового луча в призме показан на рисунке 1 ниже.
Рис. 1. Путь луча света в призме
Опыт. Как и почему рассеивается свет?
Проверим гипотезу о том, что белый свет разлагается, потому что он представляет собой смесь основных, простых цветов.
Что вам понадобится?
Вывод, который получим в результате опыта.
На экране мы наблюдаем так называемый спектр белого света, который представляет собой набор цветов от фиолетового до красного в результате дисперсии пучка белого света. Таким образом, белый свет представляет собой смесь цветов.
Каков механизм формирования спектра белого света? Луч света, представляющий собой смесь цветов, претерпевает двойное преломление при прохождении через призму (см. рисунок 2). Каждый компонент преломляется под разным углом, поскольку скорость его распространения меняется при переходе из одной среды в другую.
Рис. 2. Механизм формирования спектра белого света при прохождении через призму
Помните! При прохождении через призму фиолетовый свет отклоняется от своего первоначального направления в наибольшей степени, а красный — в наименьшей.
Дисперсия света уже происходит, когда белый свет попадает в призму. При выходе из призмы углы преломления, под которыми цветовые компоненты белого света покидают призму, увеличиваются, делая явление более заметным.
Дисперсия света может объяснить многие явления, наблюдаемые в природе, например, образование радуги.
Причина дисперсии света
Причина разложения белого света через призму заключается в следующем: свет разных цветов и, следовательно, разных длин волн имеет разную скорость распространения в материале, например, в стекле. В том же стекле, например, скорость распространения синего света ниже, чем красного.
Следовательно, согласно закону преломления света, синий свет преломляется сильнее, чем красный. В результате различного преломления разных частей белого света, свет разворачивается веером, образуя спектр. Это также называется спектром призмы. При использовании белого света создается непрерывный спектр.
Длины волн и частоты спектральных цветов
Видимый нами диапазон спектра охватывает диапазон длин волн от 390 нм до 780 нм. Это соответствует диапазону частот от 7,7⋅1014 Гц до 3,8⋅1014 Гц.
В направлении более длинных волн (более коротких частот) присоединяется инфракрасный свет, а в направлении более коротких волн (более высоких частот) присоединяется ультрафиолетовый свет.
На рисунке 3 приведены частоты и длины волн для шести спектральных цветов. Из данных видно, что каждый спектральный цвет охватывает определенный диапазон длин волн.
Поэтому необходимо проводить различие между светом спектрального цвета (всегда включает в себя диапазон длин волн) и светом определенной длины волны (всегда является частью света спектрального цвета).
Рис. 3. Частоты и длины волн спектральных цветов
Проблемы, возникающие при дисперсии света
Дисперсия света — красивое и эффектное явление, но оно также может доставлять неприятности. Первые наблюдения за небом проводились с помощью телескопов, которые имели одинарные стеклянные линзы.
Рис. 4. Преломление света в линзах астрономического телескопа
Когда луч света проходит через линзу и преломляется, как в призме, особенно в «толстых» линзах, свет может «расщепляться» на основные цвета. Каждый цвет имеет свою фокусную точку (фокус) — поэтому нет единой точки, в которой сходятся все световые лучи. В результате вы можете заметить цветовую кайму (см. рисунок 4) вокруг наблюдаемых объектов и ощутить снижение остроты зрения.
Рис. 5. Хроматическая аберрация (цветовая кайма)
Это явление называется хроматической аберрацией. Определение этого понятия следующее:
Хроматическая аберрация — это дефект линзы, вызванный разложением белого света на составляющие цвета, так что каждый цвет имеет свой собственный фокус, расположенный на разном расстоянии от линзы.
Хроматическая аберрация влияет на качество изображения как при астрономических наблюдениях, проводимых с помощью простых телескопов, так и в процессе обычной фотосъемки, поскольку фотоаппараты оснащены пластиковыми или стеклянными линзами. Этот эффект можно устранить, используя вместо отдельных линз систему соответствующим образом подобранных линз (ахроматическая система).
Примеры
Приведу следующие примеры явлений, где наблюдается дисперсии света:
Дисперсия света в природе и искусстве
Благодаря дисперсии можно наблюдать разные цвета
Обобщенная формулировка высоких порядков дисперсии – оптика Лаха-Лагерра
Порядки дисперсии определяются разложением Тейлора фазы или волнового вектора.
Производные дисперсии для волнового вектора и фазы
может быть выражени как:
Производные любой дифференцируемой функции в пространстве длин волн или частот определяются через преобразование Лаха как:
Матричные элементы преобразования являются коэффициентами Лаха:
Записанное для дисперсии групповой скорости GDD, приведенное выше выражение утверждает, что постоянная длины волны GGD будет иметь нулевые высшиепорядки. Высшие порядки, полученные из GDD, являются:
Подстановка уравнения (2), выраженного для показателя преломления или оптического пути , в уравнение (1) приводит к аналитическим выражениям для порядков дисперсии. В общем случае дисперсия порядка POD является преобразованием типа Лагерра отрицательного второго порядка:
Матричные элементы преобразований представляют собой беззнаковые коэффициенты Лагерра порядка минус 2 и имеют вид:
Первые десять порядков дисперсии, записанные в явном виде для волнового вектора:
Групповой показатель преломления определяется как: .
В явном виде, записанные для фазы , первые десять порядков дисперсии могут быть выражены как функция длины волны с помощью преобразований Лаха (уравнение (2)) в виде:
Вопросы для самоконтроля по теме «Дисперсия света»
Проделаем опыт. На пути луча красного света поставим стеклянную треугольную призму. При прохождении через нее луч преломится. Возьмем теперь вместо красного луча фиолетовый. Пустив его по тому же пути, заметим, что он преломляется сильнее красного. Заменим стеклянную призму на такую же по размерам, но изготовленную из кристалла соли или кварца. Повторим опыт с лучами. Они будут отклоняться больше или меньше, но фиолетовый луч всегда будет преломляться сильнее красного.
Опыт можно повторять многократно, используя лучи и других цветов. Однако вывод из опытов будет одним: показатель преломления любого вещества зависит от цвета преломляемого луча. Это явление получило название дисперсии света.
Продолжим опыты. Направим на призму белай луч. Мы обнаружим сразу два удивительных явления: тонкий луч превратится в расширяющийся пучок и белый свет превратится в разноцветный! Поместив на его пути экран, мы получим полоску радужного цвета – сплошной спектр.
Откуда же появились разноцветные лучи? Может, призма обладает способностью окрашивать белый свет в радужные цвета? Приглядимся к рисунку повнимательнее. Красно-оранжевая часть спектра расположена там же, куда отклонился красный луч в первом опыте. А сине-фиолетовая часть спектра расположена там же, куда отклонился фиолетовый луч в этом же опыте. Следовательно, белый свет не окрашивается призмой, а разделяется ею на составные части – цветные лучи. Таким образом, белый свет – сложный свет.
Page 2
Преломлением света называют явление изменения направления светового луча на границе раздела двух сред. Рассмотрим три ситуации соприкосновения таких сред: воздуха и воды, воздуха и стекла, воды и стекла. Взгляните на чертежи справа.
Как видите, разные вещества, прозрачные для оптических излучений, обладают неодинаковой преломляющей способностью. Стекло, например, преломляет лучи сильнее, чем вода. Преломляющую способность разных сред можно сравнивать и по таблице: Показатели преломления некоторых сред:
Из таблицы видно, что показатель преломления стекла сильнее отличается от показателя преломления воздуха, чем показатель преломления воды. Именно поэтому луч, идущий из воздуха в стекло, преломляется сильнее, чем луч, идущий из воздуха в воду. И совсем мало преломляется луч, переходящий из воды в стекло.
В таблице показатель преломления вакуума принят за единицу. Поскольку воздух по своей преломляющей способности пренебрежимо мало отличается от вакуума (всего на 0.03 %), то в оптическом отношении между ними можно не делать различий. Осталось лишь добавить, что приведенные в таблице значения измерены при 20°С для желтого света.
Page 3
Введем несколько определений. Углом падения луча назовем угол a между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча. Углом преломления луча назовем угол g между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча.
Подобно падающему и отраженному лучам, падающий и преломленный лучи не могут располагаться как угодно. Например, не может быть такого их расположения, как на рисунках:
При преломлении света всегда выполняются две закономерности:
Луч падающий,луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке излома луча всегда лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред, не зависящая от угла падения луча.
Эти два утверждения выражают закон преломления света:
Величина n называется показателем преломления второй среды относительно первой среды. Для случая, когда в качестве нее выступает вакуум или воздух, значения величины n можно брать из таблицы в предыдущем параграфе.
На практике вместо формулы закона преломления света часто используют ее частный случай: при переходе света из среды с меньшим значением n в среду с большим значением n луч приближается к перпендикуляру, проведенному к границе раздела двух сред в точке излома луча. В противном случае луч удаляется от перпендикуляра.
Page 4
Линзой можно не только собирать и рассеивать пучки параллельных лучей. При помощи линз легко получать увеличенные и уменьшенные изображения предметов. Например, благодаря линзе на экране получается увеличенное перевернутое изображение золотой статуэтки.
Предмет, изображение которого мы получаем, может находиться на различных расстояниях от линзы (d). В зависимости от этого изображение предмета может получиться различным. Например, если расстояние от предмета до собирающей линзы больше ее фокусного расстояния, но меньше двойного фокусного расстояния (F < d < 2F), то линза даст увеличенное, перевернутое и действительное изображение предмета (см. вторую строку таблицы). Изображение, даваемое собирающей линзой:
Если изображение действительное, его можно увидеть на экране. При этом изображение можно видеть из любого места в комнате, из которого только виден сам экран. Если же изображение мнимое, то на экране его получить нельзя, а можно лишь увидеть глазом. Рассеивающие линзы дают уменьшенное прямое мнимое изображение при любом расстоянии от предмета до линзы.
Page 5
Наиболее важным применением явления преломления света на практике является использование линз. Чаще всего их делают из стекла или прозрачной пластмассы. Всякая линза, которая в средней своей части тоньше, чем по краям, в вакууме (или воздухе) будет являться рассеивающей линзой. И наоборот: всякая линза, которая в средней части толще, чем по краям, будет собирающей линзой.
Взгляните на левый чертеж. Пучок параллельных лучей, прошедший через рассеивающую линзу, становится расширяющимся, а лучи кажутся исходящими из некоторой точки F. Ее называют фокусом рассеивающей линзы. Поскольку на самом деле через эту точку лучи не проходят, то фокус рассеивающей линзы является мнимым.
Если же пучок параллельных лучей пропустить сквозь собирающую линзу, то пучок станет сходящимся. Все его лучи пройдут через некоторую точку F, являющуюся действительным фокусом.
Объясним способность линз преломлять лучи. Каждую линзу можно вообразить составленной из множества отдельных пластиночек. Изобразим их в увеличенном масштабе. Луч, переходящий из воздуха в стекло, приближается к перпендикуляру (сравните Р2 и Р1). Луч, переходящий из стекла в воздух, удаляется от перпендикуляра (сравните Р4 и Р3). Тем самым линза отклоняет луч в сторону широкой своей части.
Page 6
Пробовали ли вы когда-нибудь смотреть на мир сквозь цветные стекла? На средней фотографии вы видите две ракетки и шарик для настольного тенниса. Взглянем на эти предметы сквозь зеленое стекло (левое фото). Белый шарик стал зеленым, красная ракетка – черной, а зеленая – сохранила свой цвет. Если же мы возьмем красное стекло, то белый шарик станет красным, зеленая ракетка – черной, а красная – сохранит свой цвет (правое фото). От чего же зависит цвет тел? Оказывается, от двух причин: а) способности различных тел неодинаково хорошо отражать лучи раличного цвета и б) спектрального состава лучей, освещающих эти тела.
Первая причина проста. Если правая ракетка видится нам зеленой, значит, из всего спектра падающего на нее белого света отражаются только желто-зелено-голубые лучи (см. спектр на левой странице). Лучи остальных цветов ракетка не отражает, то есть поглощает.
Аналогично, красное стекло потому и красное, что поглощает все лучи, пропуская через себя лишь красно-оранжевые. Поэтому, наблюдая зеленую ракетку сквозь такое стекло, мы видим ее черной. Красно-оранжевых лучей она не испускает, а зеленые поглощаются стеклом. В результате свет от этой ракетки в наш глаз не поступает, что мы и расцениваем как черный цвет.
Вторая причина. Предположим, что ракетки освещены не белым светом (в спектре которого есть все цвета), а красным прожектором. Зеленая ракетка опять покажется нам черной.
Красные лучи прожектора она поглощает, а зеленых лучей в его свете нет. В результате от зеленой ракетки не отразится никакого света. Поэтому даже без цветных стекол она будет казаться нам черной.
Page 7
С плоским зеркалом мы сталкиваемся очень часто — когда причесываемся или бреемся, когда управляем автомобилем. Чистое оконное стекло или поверхность пруда тоже вполне могут служить плоскими зеркалами. Рассмотрим изображения, получающиеся при этом.
Пусть пучок света от источника S падает на зеркало. Рассмотрим лучи SA и SB. После отражения от зеркала они кажутся нам исходящими из точки S’. То есть источник S нам кажется расположенным за зеркалом! Заметим также, что расстояния SO и S’O равны, а отрезок SS’ перпендикулярен зеркалу.
Итак, теоретическим путем мы выяснили, что изображения предметов в зеркале являются мнимыми (так как кажутся расположенными там, куда световые лучи на самом деле не проникают). Изображения находятся позади зеркала на таком же расстоянии от него, как и сами предметы. Кроме того, отрезок, соединяющий предмет и его изображение, перпендикулярен поверхности зеркала.
Проверим теперь эти выводы экспериментально. Положим на стол линейку, а поверх нее вертикально поставим стекло. Оно будет служить полупрозрачным зеркалом. Поместив перед ним свечу, мы увидим ее отражение. Оно будет казаться расположенным позади стекла. Однако, заглянув туда, мы никакого изображения не увидим. Следовательно, мы убедились, что изображение является мнимым.
Чтобы убедиться в правильности второго вывода, измерим по линейке расстояния от стекла до свечи и от стекла до изображения. Они окажутся равны. Подтвердить третий вывод тоже несложно: угольник с прямым углом нужно приложить к линейке.
Page 8
Кроме плоских зеркал, существуют еще и сферические, параболические, эллиптические и другие зеркала. Рассмотрим более подробно сферические зеркала. Они представляют собой часть шарообразной поверхности и могут быть выпуклыми или вогнутыми.
Направим пучок параллельных лучей на выпуклое зеркало (левый рисунок). После отражения лучи станут расходящимися. Поэтому выпуклое зеркало иначе называют рассеивающим зеркалом. Направим теперь параллельные лучи на вогнутое зеркало (правый рисунок). Сразу же после отражения лучи станут сходящимися. Поэтому вогнутые зеркала иначе называют собирающими зеркалами.
Точка F – действительный фокус собирающего зеркала. Точка F ‘ – фокус рассеивающего зеркала. Он уже является мнимым, так как световые лучи через него не проходят.
Изображения предметов в выпуклом зеркале всегда уменьшенные. Например, на нижнем левом рисунке отчетливо видно, что размеры изображений чашек значительно меньше размеров самих чашек. При помощи вогнутого зеркала легко получить увеличенные изображения предметов. Взгляните на правый рисунок. Размеры всех изображений больше размеров самих предметов. На среднем рисунке изображено обычное плоское зеркало.
Page 9
Лупа. Так называется двояковыпуклая линза, вставленная в оправу с ручкой. Лупу всегда располагают так, чтобы предмет отстоял от нее не дальше фокуса. Именно тогда лупа даст прямое и увеличенное изображение предмета. Лупа – самый древний оптический прибор.
Лучи, испущенные предметом и прошедшие через лупу, становятся расходящимися (рассмотрите направление хода красных или синих лучей). Поэтому лупа не может давать действительных изображений, например, на стене или экране. А мнимое изображение предмета в лупе может видеть лишь один человек, что не всегда удобно.
Проектор. Этот прибор предназначен для получения действительных увеличенных изображений предметов. То есть таких изображений, которые можно спроектировать на экран и, тем самым, сделать видимыми многим людям одновременно.
Схему проектора вы видите на чертеже. Свет лампы 1 при помощи вогнутого зеркала 2 направляется на слайд 3. Он расположен между фокусом и двойным фокусом линзы 4.
В результате этого на экране 5 получается увеличенное действительное изображение слайда. Обратите внимание, что изображение слайда является перевернутым. Поэтому слайды в проектор всегда вставляют «вверх ногами».
Глаз. Орган зрения высших животных, в том числе и человека, является сложным оптическим прибором. Основные его части: 1 – склера (плотная оболочка глаза), 2 – роговица (передняя более выпуклая прозрачная часть склеры), 3 – радужная оболочка, 4 – хрусталлик, 5 – мышца, 6 – сетчатка (пронизанная нервными рецепторами внутренняя поверхность склеры), 7 – зрительный нерв.
Свет от рассматриваемого предмета, проходя в глаз, попадает на хрусталлик. Поскольку он является собирающей линзой, то на сетчатке глаза образуется изображение предмета. Светлые и темные части, из которых оно состоит, по-разному воздействуют на нервные рецепторы, пронизывающие сетчатку глаза. Эти воздействия по зрительному нерву попадают в головной мозг человека и воспринимаются им. Так протекает процесс зрения.
Одним из замечательных свойств хрусталлика является его упругость. Если окружающие его мышцы напрягаются, то хрусталлик растягивается и становится тоньше. Его преломляющая способность уменьшается, и мы можем четко видеть более удаленные предметы.
Очки. Этот оптический прибор предназначен для исправления таких дефектов зрения как дальнозоркость, близорукость и астигматизм. Рассмотрим это на примере близорукости. Такой глаз хорошо видит только близкие предметы. Их четкие изображения получаются именно на сетчатке глаза (верхний чертеж). Если же предмет удален, то его четкое изображение получается позади сетчатки, а на ней – нечеткое изображение (средний чертеж).
Поместим перед глазом рассеивающую линзу (нижний чертеж). Она сделает пучок лучей от предмета более расходящимся, чем прежде. В результате он станет похож на тот пучок, который попадал в глаз на верхнем чертеже.
Следовательно, четкое изображение рассматриваемого предмета (красной точки) вновь окажется на сетчатке глаза. Таким образом очки с рассеивающими линзами помогают близоруким людям четче видеть удаленные предметы.
Белый свет — электромагнитное излучение видимого диапазона, которое вызывает в нормальном человеческом глазе световое ощущение, нейтральное по отношению к цвету. Спектр белого света может быть как непрерывным (например, тепловое излучение тела, нагретого до температуры, близкой к температуре фотосферы Солнца, около 6000 К), так и линейчатым; в последнем случае в спектр входят как минимум три монохроматических излучения, вызывающих отклик у трёх типов цветочувствительных клеток нормального человеческого глаза.
Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (или частоты) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.
Отношение синуса угла падения (α) луча к синусу угла преломления (γ) при переходе луча из среды A в среду B называется относительным показателем преломления для этой пары сред.
Луч, падающий из безвоздушного пространства на поверхность какой-нибудь среды В, преломляется сильнее, чем при падении на нее из другой среды А; показатель преломления луча, падающего на среду из безвоздушного пространства, называется его абсолютным показателем преломления или просто показателем преломления данной среды, это и есть показатель преломления, определение которого дано в начале статьи. Показатель преломления любого газа, в том числе воздуха, при обычных условиях много меньше, чем показатели преломления жидкостей или твердых тел, поэтому приближенно (и со сравнительно неплохой точностью) об абсолютном показателе преломления можно судить по показателю преломления относительно воздуха.
6.2 Цветовой треугольник. Основные и дополнительные цвета. Трёхкомпонентность зренияВ 1807 Томас юнг разработал теорию цветного зрения, основанную на предположении о существовании в сетчатой оболочке глаза трёх родов чувствительных волокон, реагирующих на три основных цвета.при сложении трех цветов можно получить один цвет(1806) Максвелл. Однако главным научным интересом Максвелла в это время была работа по теории цветов. Она берёт начало в творчестве Исаака Ньютона, который придерживался идеи о семи основных цветах. Максвелл выступил как продолжатель теории Томаса Юнга, выдвинувшего идею трёх основных цветов и связавшего их с физиологическими процессами в организме человека. Основные и дополнительные цвета. Понятие «дополнительный цвет» было введено по аналогии с «основным цветом». Было установлено, что оптическое смешение некоторых пар цветов может давать ощущение белого цвета. Так, к триаде основных цветов Красный-Зелёный-Синий дополнительными являются Голубой-Пурпурный-Жёлтый — цвета. На цветовом круге эти цвета располагают оппозиционно, так что цвета обеих триад чередуются. В полиграфической практике в качестве основных цветов используют разные наборы «основных цветов».
6. 3. Абсолютно чёрное тело, его эталон и спектр излучения.
Цветовая температура. Единица измерения цветовой температуры.
АБЧ – идеальное тело, полностью поглощающее всю падающую на него лучистую энергию. Излучение такого тела при любой температуре является максимальным по сравнению со всеми другими нечерными телами, а спектральное распределение излучаемой энергии зависит только от температуры и не зависит от природы тела. Для абсолютно черного тела абсолютная и цветовая температуры совпадают, вследствие чего абсолютно черное тело применяется в качестве светового эталона. В природе не существует абсолютно черных тел, но искусственно воспроизводят весьма близкое к абсолютно черному тело в виде очень малого отверстия в закрытой полости, внутренняя поверхность которой обладает весьма значительным поглощением. Любой луч, попавший в отверстие, поглощается полностью после нескольких отражений от стенок полости.
Абсолютно черное тело позволяет установить законы излучения температурных источников света.
При изменении температуры абсолютно черного тела изменяется как количество излучаемой им энергии, так и спектральный состав излучения. В пределах видимого спектра цветность излучения абсолютно черного тела определяется его температурой, получившей название цветовой температуры Тц (в градусах Кельвина).
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ
Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является различие фазовых скоростей распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Обычно, чем меньше длина световой волны, тем больше показатель преломления среды для неё и тем меньше фазовая скорость волны в среде:
Однако в некоторых веществах (например, в парах иода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров иода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.
Белый свет разлагается в спектр в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от неё (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.
По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии, применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число, применяется не только к электромагнитной волне, но к любому волновому процессу.
Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).
Дисперсия является причиной хроматических аберраций — одних из аберраций оптических систем, в том числе фотографических и видеообъективов.
Огюстен Коши предложил эмпирическую формулу для аппроксимации зависимости показателя преломления среды от длины волны:
где — длина волны в вакууме; a, b, c — постоянные, значения которых для каждого материала должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши. Впоследствии были предложены другие более точные, но и одновременно более сложные, формулы аппроксимации.