Глава 3. § 50. Дисперсия света. Цвета тел — с. 246
§ 50. Вопрос 1. Что называют дисперсией света?
Дисперсией света называют зависимость показателя преломления вещества (а значит, и угла преломления) от частоты световой волны, то есть от цвета луча. Из-за дисперсии пучок белого света, пройдя через призму, разлагается в разноцветный спектр.
§ 50. Вопрос 2. Расскажите об опыте по преломлению белого света в призме (ход опыта, результаты, вывод).
Узкий пучок белого света пропускают через щель и направляют на стеклянную призму, за призмой ставят белый экран. Пучок отклоняется к основанию призмы и на экране вместо белого пятна появляется разноцветная полоса — сплошной спектр: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Красные лучи отклоняются меньше всего, фиолетовые — больше всего.
Вывод: белый свет — сложный, он состоит из волн разных частот (цветов); показатель преломления стекла для разных цветов различен (наименьший для красного, наибольший для фиолетового).
Вывод: белый свет — сложный, он состоит из волн разных частот (цветов); показатель преломления стекла для разных цветов различен (наименьший для красного, наибольший для фиолетового).
§ 50. Вопрос 3. Расскажите об опыте, изображённом на рисунке 187.
На рисунке 187 картонный диск с секторами всех цветов спектра закреплён на валу центробежной машины. При быстром вращении цвета сменяются так часто, что глаз не успевает различать их по отдельности, а воспринимает сумму. Диск кажется белым. Опыт показывает, что при сложении спектральных цветов получается белый цвет.
§ 50. Вопрос 4. В чём заключается физическая причина различия цветов окружающих нас тел?
Цвет непрозрачного тела определяется составом света, который оно отражает. Краска зелёной бумаги отражает только зелёные лучи, а лучи остальных цветов поглощает, поэтому бумага выглядит зелёной. Тело, поглощающее весь падающий свет, кажется чёрным, а тело, отражающее весь падающий свет, — белым.
§ 50. Вопрос 5. Используя рисунок 190, расскажите об устройстве двухтрубного спектроскопа.
Прибор состоит из двух труб. В трубе-коллиматоре К находится узкая щель S, через которую входит исследуемый свет, и собирающая линза Л₁; щель расположена в фокальной плоскости Л₁, поэтому из линзы свет выходит параллельным пучком и падает на призму П. Призма отклоняет лучи разных цветов на разные углы, и параллельные пучки разных цветов выходят из неё в разных направлениях. Во второй трубе линза Л₂ собирает каждый пучок в своей точке фокальной плоскости ЭЭ₁, где получаются изображения щели разных цветов. На матовом стекле (или в окуляре) их видят как спектр.
§ 50. Вопрос 6. Чем спектрограф отличается от спектроскопа?
В спектроскопе спектр рассматривают глазом на матовом стекле, помещённом в фокальной плоскости второй линзы (при необходимости через увеличивающую линзу). В спектрографе вместо матового стекла в этой плоскости стоит фотопластинка, на которой получается фотография спектра.
§ 50. Вопрос для обсуждения. Рассмотрите рисунок 191, а, на котором показана схема устройства однотрубного спектроскопа. Спектроскоп сконструировал в 1815 г. немецкий физик Йозеф Фраунгофер (1787—1826). Этот прибор был необходим учёному для исследования явления дисперсии, которым он занимался в то время. Объясните по рисунку 191, б, почему при входе в призму ADB лучи отклоняются в сторону более широкой её части (угол преломления меньше угла падения), а при входе в призму DBE — в сторону более узкой её части (угол преломления больше угла падения). Расскажите, как работает однотрубный спектроскоп.
[рисунок 191, а: схема трубки: слева щель 3 и источник S, далее линза 2, призма 1, справа окуляр 4 и глаз. Рисунок 191, б: составная призма из двух частей: призма ADB из стекла «тяжёлый флинт» (ТФ), вершиной вниз, зажата между двумя призмами CAD и DBE из стекла «лёгкий крон» (ЛК); падающий слева горизонтальный луч (на рисунке голубой) идёт горизонтально и выходит справа тремя лучами: красным (Кр, вверх), зелёным (почти прямо) и фиолетовым (Ф, вниз). Для лучей любого цвета n_ТФ > n_ЛК.]
[рисунок 191, а: схема трубки: слева щель 3 и источник S, далее линза 2, призма 1, справа окуляр 4 и глаз. Рисунок 191, б: составная призма из двух частей: призма ADB из стекла «тяжёлый флинт» (ТФ), вершиной вниз, зажата между двумя призмами CAD и DBE из стекла «лёгкий крон» (ЛК); падающий слева горизонтальный луч (на рисунке голубой) идёт горизонтально и выходит справа тремя лучами: красным (Кр, вверх), зелёным (почти прямо) и фиолетовым (Ф, вниз). Для лучей любого цвета n_ТФ > n_ЛК.]
Закон преломления: sin α / sin γ = n₂ / n₁, где α — угол падения, γ — угол преломления, n₁ и n₂ — показатели преломления первой и второй сред.
На границе левой части ЛК и призмы ТФ (грань AD) луч переходит из среды с меньшим показателем в среду с большим (n_ТФ > n_ЛК). Тогда sin γ < sin α, то есть γ < α: луч приближается к нормали к границе, то есть отклоняется в сторону более широкой части призмы ADB (к стороне AB). Так как n зависит от цвета, фиолетовые лучи отклоняются сильнее красных.
На границе ТФ и правой части ЛК (грань BD) луч переходит из среды с большим показателем в среду с меньшим: sin γ > sin α, угол преломления больше угла падения, и луч уходит от нормали, то есть отклоняется в сторону более узкой части призмы DBE. Подбор стёкол сделан так, что средний (зелёный) луч после всей системы идёт почти по прямой, а красный и фиолетовый расходятся по обе стороны от него: призма даёт разложение света в спектр почти без общего отклонения пучка.
Работа однотрубного спектроскопа: свет от источника S проходит узкую щель 3 в фокальной плоскости линзы 2; линза делает пучок параллельным, он падает на призму 1, где разлагается по цветам, и лучи разных цветов идут в разных направлениях. Глаз у окуляра 4 собирает параллельные пучки на сетчатке в разные точки, и наблюдатель видит спектр в виде цветной полосы (изображения щели разных цветов).
На границе левой части ЛК и призмы ТФ (грань AD) луч переходит из среды с меньшим показателем в среду с большим (n_ТФ > n_ЛК). Тогда sin γ < sin α, то есть γ < α: луч приближается к нормали к границе, то есть отклоняется в сторону более широкой части призмы ADB (к стороне AB). Так как n зависит от цвета, фиолетовые лучи отклоняются сильнее красных.
На границе ТФ и правой части ЛК (грань BD) луч переходит из среды с большим показателем в среду с меньшим: sin γ > sin α, угол преломления больше угла падения, и луч уходит от нормали, то есть отклоняется в сторону более узкой части призмы DBE. Подбор стёкол сделан так, что средний (зелёный) луч после всей системы идёт почти по прямой, а красный и фиолетовый расходятся по обе стороны от него: призма даёт разложение света в спектр почти без общего отклонения пучка.
Работа однотрубного спектроскопа: свет от источника S проходит узкую щель 3 в фокальной плоскости линзы 2; линза делает пучок параллельным, он падает на призму 1, где разлагается по цветам, и лучи разных цветов идут в разных направлениях. Глаз у окуляра 4 собирает параллельные пучки на сетчатке в разные точки, и наблюдатель видит спектр в виде цветной полосы (изображения щели разных цветов).
§ 50. Упражнение 44.
1. На столе в тёмной комнате лежат два листа бумаги — белый и чёрный. В центре каждого листа наклеен оранжевый круг. Что вы увидите, осветив эти листы белым светом; оранжевым светом такого же оттенка, как и круг?
Цвет тела определяется тем, какие лучи оно отражает: белая бумага отражает свет всех цветов, чёрная поглощает практически весь падающий свет, оранжевый круг отражает оранжевые лучи, а остальные поглощает.
1) Белый свет. Белый лист кажется белым, чёрный — чёрным, а круги на обоих листах — оранжевыми (круг отражает из белого света только оранжевую часть).
2) Оранжевый свет. На белом листе и фон, и круг отражают оранжевый свет, поэтому лист целиком оранжевый, а круг на нём не виден. На чёрном листе фон поглощает свет и остаётся чёрным, а круг отражает оранжевый свет и виден как оранжевый круг на чёрном фоне.
1) Белый свет. Белый лист кажется белым, чёрный — чёрным, а круги на обоих листах — оранжевыми (круг отражает из белого света только оранжевую часть).
2) Оранжевый свет. На белом листе и фон, и круг отражают оранжевый свет, поэтому лист целиком оранжевый, а круг на нём не виден. На чёрном листе фон поглощает свет и остаётся чёрным, а круг отражает оранжевый свет и виден как оранжевый круг на чёрном фоне.
§ 50. Упражнение 44.
2. На белом фоне написан текст синими буквами. Через стекло какого цвета нельзя увидеть надпись?
Цветное стекло пропускает только лучи своего цвета, остальные поглощает. Белый фон отражает все лучи, синие буквы отражают только синие и поглощают остальные.
Через синее стекло к глазу от фона и от букв приходит только синий свет, причём и фон, и буквы отражают его, поэтому они выглядят одинаково синими и надпись неразличима. Через красное стекло фон красный, а буквы, не отражающие красного света, тёмные, и надпись хорошо видна.
Ответ: через синее стекло.
Через синее стекло к глазу от фона и от букв приходит только синий свет, причём и фон, и буквы отражают его, поэтому они выглядят одинаково синими и надпись неразличима. Через красное стекло фон красный, а буквы, не отражающие красного света, тёмные, и надпись хорошо видна.
Ответ: через синее стекло.