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 цветным  светом.

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 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.

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 интерпретироваться и как окрашивание солнечного света призмой, Ньютон показал, что, если собрать цветные лучи в одну точку, в ней снова будет наблюдаться  ахроматический, белый цвет (см. рис. выше). Этим он раз и навсегда пресек обсуждение точки зрения об окрашивании падающего света «цветными» предметами. Также полученные результаты окончательно сформировали современный взгляд на природу цвета большинства предметов: последний либо связан с излучением самого тела (возникающим в силу его нагретости, протекающей в нем фотохимической реакции и т.п.), либо с  выделением определенных компонент из падающего света при его отражении от предмета или прохождении сквозь него. Последний механизм окрашивает небо в голубой цвет, создает радужный окрас неба на закате (так называемое рэлеевское рассеяние), обусловливает цвета драгоценных камней (фильтрация при прохождении света сквозь них) и золота (отражение), а также кристаллических срезов и тонких пленок (интерференция). Конечно, известны и другие явления воздействия падающего света на спектр исходящего от предмета излучения: люминесценция, генерация высших гармоник, комбинационное рассеяние и т.д. В этих случаях вторичное излучение тела сложнее зависит от спектральной интенсивности падающего света.

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 отверстие  в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной  стене удлиненное изображение с  радужным чередованием цветов. Стилизованное  изображение опыта Ньютона показано на рисунке 01. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась  состоящей из семи основных цветов. Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный.

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 электромагнитной волны в среде от ее частоты

Световые волны разной частоты по-разному преломляются оптически прозрачными веществами. Дисперсия света приводит к разложению сложного света, например, белого, на волны  отдельных частот, которым соответствуют  различные цвета.

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.