Дисперсия света
Тема: Дисперсия света и цвет тела.
Содержание
Введение 3
1. Дисперсия света 4
2. Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона 6
3. Дисперсия света и цвет тела 9
3.1. Основное открытие Ньютона в оптике 9
3.2. Абсолютный показатель преломления среды 10
3.3. Основные и дополнительные цвета 11
3.4 Объяснение голубого цвета неба и красного цвета зари 12
4. Свет и цвета тел 14
4.1. Освещение белым и цветным светом 14
4.2. Дисперсия показателей преломления (светорассеивание) 15
4.3. Спектральный состав света различных источников 18
4.4. Коэффициенты поглощения, отражения и пропускания. 19
4.5. Тела, освещенные белым и цветным цветом 20
Заключение 24
Список литературы 25
Приложение 1 26
Приложение 2 27
Приложение 3 28
Приложение 4 29
Введение
Явление дисперсии - разложения белого света в спектр (по цветам радуги) - было открыто и исследовано И. Ньютоном. Это явление говорит о сложном составе белого света. Одним из проявлений явления дисперсии является радуга.
Радуга – одно из красивейших природных явлений, которое редко кого-то оставляет равнодушным. Когда-то люди считали радугу Божьим знамением. И это неудивительно, ведь она появляется буквально из ничего, и также таинственно исчезает.
В данной курсовой работе раскрыта тема
дисперсии света и цвета тела.
Работа в своей структуре содержит
следующие разделы: состояние вопроса
о цвете до исследований Ньютона,
основное открытие Ньютона в оптике,
дисперсия показателя преломления,
дополнительные цвета и спектральный
состав различных источников. Также
в курсовой раскрыта тема света и
цвета тела, охарактеризовано поглощение
и рассеивание света, представлено
описание цвета неба и зари, а
также освещение белым и
Тема курсовой работы является актуальной, 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 видео-объективов. Благодаря явлению дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметах или материалах. [2]
В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы. В искусстве они могут специально усиливаться, подчеркиваться.
1. Дисперсия света
Дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально дисперсия была открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.
Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:
- у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
- у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.
Однако в некоторых веществах (например в парах йода) 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 йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет. [1]
Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. 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.
По аналогии с дисперсией света,
также дисперсией называются и сходные
явления зависимости
Коши пришел к формуле, выражающей зависимость показателя преломления среды от длины волны:
…,
где:
- — длина волны в вакууме;
- a, b, c, … — постоянные, значения которых для каждого вещества должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши. [8]
2. Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона
Сэр Исаак Ньютон (1642–1727) сделал фундаментальный вклад в оптику: обнаружил, что белый свет является составным, изобрел телескоп-рефлектор, а также исследовал открытые Гуком кольца, которые появляются на тонких клиньях и излома (теперь их называют кольцами Ньютона), заложил основы физической и геометрической оптики как связного учения. До него оптика представляла собой совокупность разрозненных фактов, датируемых начиная с античности, а также многочисленные и противоречащие друг другу интерпретации экспериментальных наблюдений. Действительно, по сути дела, не было критерия, согласно которому эти интерпретации должны были сравниваться и какие-то из них — признаваться ошибочными.
Во взглядах на природу цвета также не было единства. Аристотелевское учение утверждало, что цвета — производные от света и тьмы, смешанных в различных пропорциях. Согласно Декарту различие цветов было связано с различной скоростью вращения корпускул (в некотором роде, с точки зрения квантовой теории, так и есть). Также бытовала точка зрения, что цветовую окраску свету придает предмет, от которого он отражается, а «чистому» свету цветовые характеристики не присущи.
Ньютон пропустил тонкий луч света, прошедший через прорезь в ширме (на рисунке — через щель в двери), через треугольную призму и увидел, что свет разложился в радужный спектр. При этом получалось, что Красные лучи преломляются сильнее фиолетовых — в этом и была сущность дисперсии. По этой причине современный термин «дисперсия» относится не только к явлению разложения света в спектр, но и к зависимости фазовой скорости света от частоты (или даже от направления волнового вектора). Действительно, угол преломления напрямую зависит от фазовой скорости, поэтому зависимость последней от частоты и приводит к наблюдавшемуся Ньютоном явлению.
Помимо разложения света в спектр,
которое могло
Интересно, что Ньютон придерживался точки зрения, что свет состоит из маленьких корпускул, которым присуще внутреннее свойство — цвет. От количества корпускул данного цвета и зависит спектральная интенсивность. Эта, корпускулярная теория света просуществовала до XIX века, несмотря на наличие явлений, в нее не укладывающихся (интерференция, дифракция). Пожалуй, тут сыграл роль не только авторитет Ньютона, но и неподготовленность математики времен Ньютона к восприятию волновых концепций. Сам Ньютон основал вместе с Лейбницем математический анализ и дифференциальное исчисление, однако представления об описывающих распространение волн дифференциальных уравнениях в частных производных и преобразованиях Фурье, с помощью которых эти уравнения решаются, появились только в XIX веке. Наконец, XVII век был проникнут идеями механицизма, во многом насажденными успехами ньютоновской механики. Поэтому представить прямолинейное распространение лучей из корпускул было гораздо проще, чем распространение волн по прямой — даже здравый смысл говорит о том, что волны распространяются во всех направлениях.
Важно, тем не менее, что Ньютон не только наблюдал явление дисперсии, но и предложил ее строгое математическое описание. Тем самым он обрисовал логический путь зарождающейся физики: наблюдение (эксперимент) – качественное описание (гипотеза) – математическая теория явления – новые предсказания или теоретические выводы – новые эксперименты. Именно такая модель исследования явлений определила дальнейшее развитие физики, отклонившееся от чисто философского пути умозрительных, хотя, возможно, справедливых, заключений.
Считалось, что цвет есть свойство самого тела, хотя внимательное наблюдение обнаруживало, что в зависимости от времени дня или условий освещения нередко наблюдается очень значительное изменение в цвете тел, Существовало мнение, что различные цвета получаются как «смесь» света и темноты, т. е. смешивались два существенно различных понятия — цвет и освещенность. С незапамятных, времен наблюдались превосходные (радужные) цвета радуги и даже было известно, что образование радуги связано с освещением дождевых капель. Так, французский физик Рене Декарт (1596—1650) наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры радуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их последовательности ему оставались неясными. [3]
3. Дисперсия света и цвет тела
3.1. Основное открытие Ньютона в оптике
Занимаясь усовершенствованием телескопов. Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, даваемого линзой, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедший через призму, окрашивается по краям. [4]
Основной опыт Ньютона
был гениально прост. Ньютон догадался
направить на призму световой пучок
малого поперечного сечения. Пучок
солнечного света проходил в затемненную
комнату через маленькое
Радужную полоску Ньютон назвал спектром (от лат. Spectrum – видение). В количестве цветов Ньютон определился не сразу. Сначала он увидел 5 цветов, затем только 4 и 10, но увидев гармонию между 7 нотами в октаве,7 днями недели и других совпадений с числом 7, он остановился на семи основных цветах. [11]
На рисунке 1 представлено разложение света через призму в опыте Ньютона.
Рис. 1. - Разложение света через призму в опыте Ньютона.
Закрыв отверстие красным стеклом. Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом, наблюдал синее пятно и т. д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части, как приведено в приложении 1.
Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета.
3.2. Абсолютный показатель преломления среды
Поскольку абсолютный показатель преломления среды определяется отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде. Показатель преломления зависит от скорости света в веществе. Абсолютный показатель преломления
то дисперсию света
можно также определить как зависимость
скорости распространения
Световые волны разной
частоты по-разному
Таким образом, дисперсия света приводит к разложению белого немонохроматического света на монохроматические (одноцветные) составляющие, имеющие каждая свою определенную длину волны (частоту), доказывая, что белый свет имеет сложную структуру.
Диапазон длин волн видимой части спектра (т.е. воспринимаемых глазом) представлен в приложении 3.
Электромагнитное излучение оптического диапазона с длиной волны больше 7,8 нм не воспринимается глазом, но может быть обнаружено с помощью, например, термометра. Эти волны называются инфракрасными лучами. Инфракрасные лучи преломляются слабее красных лучей видимого света. Инфракрасные лучи - это тепловые лучи. Они переносят энергию нагретого тела. Именно инфракрасное излучение Солнца доставляет его энергию на Землю.
За видимой границей фиолетового излучения, то есть при длинах волн короче 3.8 нм, обнаруживается невидимое излучение, называемое ультрафиолетовыми лучами. Ультрафиолетовые лучи преломляются сильнее, чем фиолетовые лучи видимого света.
3.3. Основные и дополнительные цвета
Цвета, которые невозможно получить при помощи смешения каких-либо красок, называют основными. Это - красный, желтый и синий цвета. В приложении 1 они расположены в центре цветового круга и образуют треугольник.
Цвета, которые можно
получить от смешения основных красок,
условно называют составными или
производными цветами. На нашем примере
они находятся также в
Проводя в цветовом
круге диаметр через середину
желтого цвета, можно определить,
что противоположный конец
Белый свет (разложение и
сложение - сложный свет). Демонстрация
механизма сложения цветов на проекционном
экране при помощи вертикальных зеркал
(при помощи ФОС и стеклянной призмы
получаем спектр, затем каждый цвет
направляем на отдельные вертикальные
зеркала, поворачивая которые вокруг
своей оси, на экране получаем 7 разноцветных
полосок, далее поворачивая зеркала,
собираем все цвета в одну точку
на экране и получаем белый свет.
Простые цвета - монохроматические
(демонстрация на экране: при помощи
ФОС и набора светофильтров проецируются
на экран различные
3.4 Объяснение голубого цвета неба и красного цвета зари
Это всего лишь различаемый человеческим глазом участок в довольно узком диапазоне спектра электромагнитных волн. В этом диапазоне граничные позиции занимают красный и фиолетовый цвета, постепенно переходя с увеличением длины волны излучения в так называемые инфракрасное и ультрафиолетовое излучения соответственно.
Благодаря низкой способности к рассеянию в атмосфере, красный цвет применяется в качестве сигнального цвета на объектах, различение которых важно в условиях недостаточной видимости. Это сигнальные огни, размещаемые на высотных объектах, на наружной части бортов самолетов. Соответственно, цвета, обладающие высокой способностью к рассеянию в атмосфере, применяются для светомаскировки. Чаще всего это синий и фиолетовый цвета.
Именно по причине плохой способности к рассеянию красного света солнце на закате переливается всеми оттенками этого цвета. И причина народной приметы, говорящей о предстоящем ненастном дне, которому предшествует алый закат, вполне объяснима. Попробуем рассуждать логически.
В момент, когда солнце находится у горизонта, его лучам на пути к нашему глазу приходится проходить слой атмосферы гораздо толще обычного. В обычных условиях цвет солнца при взгляде на него кажется ослепительно-белым. Однако из школьного курса все знают о том, что белый цвет является смесью всех возможных цветов. Проходя через толстый слой атмосферы, цвета, за исключением всех оттенков красного, сильно рассеиваются или поглощаются атмосферой.
Солнце на горизонте будет тем краснее, чем толще слой атмосферы лежит между ним и нашим глазом, либо чем беспокойнее и, соответственно, запыленнее будет этот самый слой атмосферы. Наши предположения оказываются верными. Чем ближе солнце к горизонту, тем толще слой атмосферы, через который к нам стремится его свет, и тем, соответственно, краснее его оттенки. Верно также и следующее утверждение: чем багровее закат, тем ненастнее и ветренее окажется следующий день.
Дальнейшие логические рассуждения помогут нам понять, чем обусловлен голубой цвет неба. Голубой (то же, что и синий) цвет лежит в спектре между зеленым и фиолетовым. Все они обладают способностью к рассеянию в атмосфере. Рассеяние какого-либо цвета в определенной среде приводит к окрашиванию среды в этот цвет. При одинаковой яркости человеческий глаз лучше воспринимает именно голубой цвет, а не фиолетовый. Кроме того, зеленый свет, также обладающий некоторой способностью к рассеянию в атмосфере, смешиваясь с отлично рассеивающимся фиолетовым, приводит к тому же голубому.
4. Свет и цвета тел
Опыты показывают, что свет, вызывающий в нашем глазу ощущение того или иного цвета, обладает более или менее сложным спектральным составом. При этом оказывается, что глаз наш представляет собой довольно несовершенный аппарат для анализа света, так что лучи разнообразного спектрального состава могут иногда производить почти одинаковое цветовое впечатление. Тем не менее именно при помощи глаза мы получаем знание о всем многообразии цветов в окружающем мире.
Случаи, когда свет от источника направляется непосредственно в глаз наблюдателя, сравнительно редки. Гораздо чаще свет предварительно проходит через тела, преломляясь и частично поглощаясь в них, либо в более или менее полной степени отражаясь от их поверхности. Таким образом, спектральный состав света, дошедшего до нашего глаза, может оказаться значительно измененным благодаря описанным выше процессам отражения, поглощения и т. д. В громадном большинстве случаев все подобные процессы ведут только к ослаблению тех или иных спектральных участков и могут даже полностью устранить некоторые из таких участков, но не добавляют к свету, пришедшему от источника, излучения тех длин волн, которых в нем не было. Однако и такие процессы могут иметь место (например, в явлениях флюоресценции).
4.1. Освещение белым и цветным светом
Если сложить света различных цветов, то можно получить цветовую гамму от белого до любого желаемого оттенка любого цвета. Если же смешивать акварельные или масляные краски, то белого никогда не получится.
Кроющие краски – поглощают
свет в тонком слое. Лессировочные
краски – краски, действие которых
обусловлено участием многих слоев
зерен. При смешивании зерен красных
и зеленых получается темный тон,
т.к. красные зерна поглощают
При дневном освещении все цвета хорошо видны; красный, желтый и зеленый кажутся особенно яркими, т.к. в дневном свете лучей такого цвета больше остальных; при освещении шарфов монохроматическими цветами будет виден только шарф, цвет которого совпадает с цветом светофильтра и белый, цвет которого будет цвета падающего цвета: фиолетовый и ярко фиолетовый; синий и ярко синий; зеленый и ярко зеленый; красный и ярко красный т.д. Остальные будут не видны, т.к. будут казаться черными, потому что цвет виден при хорошем коэффициенте отражения этого цвета.
Цвета нередко различают по чистоте оттенка, т.е. по насыщенности цвета. Таким качеством обладают драпированные или бархатные ткани, реющие знамена, т.к. при многократном отражении света от неровной поверхности и складок, доля преобладающего цвета усиливается по сравнению с остальными, что приводит к получению достаточной насыщенности цвета.
Государственный флаг РФ представляет собой прямоугольное полотнище из трех равновеликих горизонтальных полос: верхней – белого, средней – синего и нижней – красного цвета.
В настоящее время чаще всего используется следующая трактовка значений цветов флага России: белый цвет означает мир, чистоту, непорочность, совершенство; синий – цвет веры и верности, постоянства; красный цвет символизирует энергию и силу Отечества.
4.2. Дисперсия показателей преломления (светорассеивание)
Цветные составляющие белого
луча света по-разному преломляются
в минералах и обладают различными
показателями преломления. Изменение
показателей преломления в
Сильно выраженная дисперсия определяется многоцветным радужным блеском и характерна для ограниченного числа драгоценных камней (алмаз, демантоид, сфен, циркон). [1]
При диагностике ювелирных
камней определяют не абсолютное значение
дисперсии показателей
Измерения показателя преломления в зависимости от длины волны для разных веществ показывают, что дисперсия различных материалов может быть различна.
Опыты также были осуществлены Ньютоном. Смешение спектральных цветов можно осуществить, например, следующим образом.
Направим на призму Р, изображенную на рисунке 2, параллельный пучок белого света. На выходной грани призмы поместим диафрагму D и за призмой расположим линзу L. В главной фокальной плоскости MN линзы, где сходятся параллельные пучки различных цветов, получим цветную полоску крф (спектр), ибо лучи разных цветов падают на линзу под разными углами и, следовательно, собираются в разных точках фокальной плоскости. Но эти же цветные пучки лучей, проходящие через диафрагму D по разным направлениям, дадут благодаря линзе L изображение диафрагмы D в виде белого.
Рис. 2. - Схематическое изображение опыта по смешению цветов.
Рисунок имеет цветной дубликат кружка в плоскости АВ; в каждой точке изображения смешаны все лучи, которые входили в состав пучка белого света, упавшего на призму.
Поместим теперь в плоскость MN, где получено резкое изображение спектра, какую-нибудь непрозрачную полоску (например, карандаш) так, чтобы она задержала какой-нибудь участок спектра, например зеленый, как представлено на рисунке 3.
Рис. 3. - Карандаш О задерживает часть спектра (зеленую).
Тогда изображение окажется
цветным и притом красным. Переместим
карандаш так, чтобы он задерживал другие
лучи спектра, например синие; изображение
станет желтым. Перемещая карандаш
параллельно самому себе вдоль MN, т.
е. последовательно закрывая доступ
то одним, то другим лучам, мы заставим
изменяться окраску изображения, ибо
при каждом положении карандаша
в образовании изображения
Рис. 4. - Призма Р отклоняет часть спектра (зеленую).
Еще нагляднее становится подобный опыт, если отклонить часть лучей спектра в сторону, поместив на их пути зеркальце или призмочку, как представлено на рисунке в приложении 4.
Варьируя описанные опыты, можно подобрать весьма большое количество сочетаний дополнительных цветов.
Дополнительные цвета можно получать и при помощи соответственным образом подобранных цветных стекол. Два дополнительных цвета в совокупности могут и не представлять собой всего спектра. Так, например, узкий участок красного цвета довольно удачно дополняет соответствующий участок зеленого. Однако наиболее совершенными дополнительными цветами являются цвета, полученные разделением спектра белого света на две части. [12]
4.3. Спектральный состав света различных источников
Опытами Ньютона было установлено, что солнечный свет имеет сложный характер. Подобным же образом, т. е. анализируя состав света при помощи призмы, можно убедиться, что свет большинства других источников (лампа накаливания, дуговой фонарь и т. д.) имеет такой же характер. Сравнивая спектры этих светящихся тел, обнаружим, что соответственные участки спектров обладают различной яркостью, т. е. в различных спектрах энергия распределена по-разному. Еще надежнее удостовериться в этом можно, если исследовать спектры при помощи термоэлемента.
Для обычных источников эти различия в спектре не очень значительны, однако их можно без труда обнаружить. Глаз обнаруживает различия в качестве белого света, даваемого этими источниками. Так, свет свечи кажется желтоватым или даже красноватым по сравнению с лампой накаливания, а эта последняя заметно желтее, чем солнечный свет.
Еще значительнее различия,
если источником света вместо раскаленного
тела служит трубка, наполненная газом,
светящимся под действием электрического
разряда. Такие трубки употребляются
в настоящее время для
В настоящее время изготовляют
газоразрядные лампы, свет которых
имеет спектральный состав, очень
близкий к солнечному - лампы дневного
света. Если исследовать свет солнца,
профильтрованный через цветное
стекло, то он окажется заметно отличным
от первоначального. Глаз оценит этот
свет как цветной, а спектральное
разложение обнаружит, что в спектре
его отсутствуют или очень
слабы более или менее

- Дисперсия света
- Дисперсные материалы и их использование в технологиях
- Дисперсти жуйелер
- Диспетчер задач. WinAPI
- Диспетчеризация пассажирских перевозок
- Диспетчер с абсолютным круговым приоритетом
- Диспетчерская служба
- Дискуссия о единстве возникновения права и государства
- Дислалия
- Дислалия как вид речевого нарушения
- Диспепсия молодняка крупного рогатого скота
- Диспепсія новонароджених телят
- Дисперсионный анализ показателей смертностей населения Нерюнгринского улуса
- Дисперсия света