Пример дисперсии света в природе
Перейти к содержимому

Пример дисперсии света в природе

  • автор:

Дисперсия, виды, свойства и применение

«Дисперсия — это мера разброса данных относительно среднего значения. Чем больше дисперсия, тем более разбросаны данные. Дисперсию можно рассчитать для любых данных, которые представляют собой значения, полученные в результате эксперимента или наблюдений. «

2. История открытия

3. Виды дисперсии

Дисперсия в физике

4. Дисперсия величин

5. Дисперсия света

6. Средняя дисперсия, математическая

Вступление

Например, если дисперсия равна 0, то данные лежат на одной прямой и все значения равны среднему значению. Если равна бесконечности, то все значения различны и не совпадают со средним.

В физике дисперсия — свойство электромагнитных волн, состоящее в том, что при распространении в среде с показателем преломления n они отклоняются от прямолинейного направления вследствие неравномерности показателя преломления в разных точках пути. Это позволяет понять, как взаимодействуют электромагнитные волны с веществом.

Дисперсию часто используют в статистике для определения степени изменчивости данных и сравнения их с другими наборами данных.

Кроме того, это значение является важным параметром в теории вероятностей и используется при решении многих задач, связанных с математической статистикой и теорией вероятности.

Напрмер, дисперсия света используется в различных научных и технических областях, таких как оптика, спектроскопия и лазерная физика. Она также находит применение в медицине, где используется для определения состава тканей и диагностики заболеваний.

История открытия

Первым, кто обнаружил дисперсию, был английский ученый Роберт Бойль в 1666 г. Он случайно обнаружил, что воздух, сжатый в бутылке, становится прозрачнее, а воздух, находящийся в бутылке в обычном состоянии, мутнеет. Ученый объяснял это явление тем, что сжатый воздух содержит меньше примесей, поэтому он лучше пропускает свет.

Роберт Бойль

Теория дисперсии

Через несколько лет после открытия дисперсии Исаак Ньютон создал теорию, объясняющую это явление. Он предположил, что свет — это поток маленьких частиц (корпускул), которые движутся в разных направлениях с разной скоростью в зависимости от длины волны.

Когда свет проходит через вещество, частицы света отклоняются и меняют направление своего движения. Поэтому свет, проходящий через призму, разлагается на разные цвета.

Исаак Ньютон

Экспериментальное доказательство дисперсии

Для экспериментального подтверждения теории дисперсии Ньютон использовал опыт с узкой щелью и экраном с отверстиями. Когда луч света проходил через щель, то часть света попадала на отверстия, а другая — отражалась от экрана. Ученый заметил, что часть отраженного света была красного цвета, другая — синего, а третья — зеленого.

Ньютон объяснял этот результат тем, что частицы света имеют разную скорость, в зависимости от их длины волны. Короткие волны движутся быстрее, чем длинные, поэтому они отражаются от экрана в разные стороны. Таким образом, ученый доказал, что дисперсия действительно существует, и это явление можно объяснить с помощью корпускулярной теории света.

Открытие дисперсии

Однако, в начале XX века, Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) предложил новую теорию света, которая объясняла дисперсию света на основе волновой природы света. Открытие ученого было сделано в результате серии экспериментов, которые проводил в своей лаборатории.

Он заметил, что когда свет проходит через призму, он разделяется на составляющие цвета, и каждый цвет имеет свою собственную скорость распространения. Ученый объяснил это явление с помощью теории относительности, согласно которой скорость света не является постоянной величиной, а зависит от скорости движения источника света.

Дисперсия света имеет множество практических применений, таких как спектроскопия, которая используется для анализа состава веществ и определения их молекулярной структуры. Используется в оптических системах, таких как линзы и фильтры, для управления цветом и качеством изображения.

Виды дисперсии

  • Нормальная дисперсия: наиболее распространенный, который описывает распределение нормальных данных. Нормальное распределение характеризуется симметричной кривой, с центром на среднем значении и стандартным отклонением, которое определяет разброс данных вокруг среднего значения.
  • Неравномерная дисперсия: этот вид описывает распределение данных, которые не являются нормальными. Например, данные могут быть распределены по асимметричной кривой или иметь различные пики и впадины.
  • Дисперсия ошибок: возникает, когда мы измеряем какое-то явление или процесс с некоторой погрешностью. Например, мы можем измерять температуру с помощью термометра, и ошибка измерения будет зависеть от точности термометра и других факторов.
  • Генетическая дисперсия: описывает разнообразие в популяции и используется в генетике для анализа генетических вариаций.
  • Дисперсия времени: это мера разброса времени между событиями или явлениями. Она может использоваться, например, для анализа временных рядов данных.
  • Дисперсия изображения: это термин, используемый в компьютерной графике и обработке изображений. Он описывает меру разброса цветов или яркости.
  • Экономическая дисперсия: используется для анализа экономических данных, например, цен на товары и услуги.

Дисперсия в физике

Это процесс разложение света на его составляющие цвета (спектр) при прохождении через материю или среду. Дисперсия происходит из-за различия в скорости распространения световых волн разных длин волн.

  • Рамановская дисперсия — происходит при взаимодействии света с молекулами вещества, вызывающее изменение частоты света. Используется в спектроскопии для определения молекулярной структуры вещества.
  • Френелевская дисперсия — возникает при прохождении света через границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Используется для измерения показателя преломления в оптических приборах.
  • Критическая дисперсия — наблюдается при прохождении света через материал с показателем преломления равным единице. Используется для получения высокочастотных радиоволн.
  • Анизотропная дисперсия — появляется при прохождении света через анизотропную среду, например, кристаллы. Используется для управления направлением распространения света в оптических устройствах.

Виды дисперсии

Дисперсия величин

Дисперсия является одним из основных понятий в статистике и теории вероятностей. Она характеризует степень разброса значений случайной величины вокруг ее математического ожидания и выражается в квадратных единицах.

Формула для вычисления дисперсии выглядит следующим образом:

D = (1/n) * sum((xi — x̄)^2)

  • где D — дисперсия,
  • n — количество наблюдений,
  • xi — i-е наблюдение,
  • x̄ — среднее значение.

Дисперсия может быть положительной или отрицательной величиной. Если положительна, то распределение данных имеет больший разброс, чем среднее значение, и наоборот, если отрицательна — меньший разброс.

Например, если у нас есть набор данных , то среднее значение будет равно 3, а дисперсия будет равна 0, так как все значения находятся на одном уровне.

Если мы добавим еще одно наблюдение, например, 6, то дисперсия увеличится до 1, так как теперь среднее значение и все наблюдения будут находиться на разных уровнях.

Знание дисперсии помогает определить, насколько точно можно предсказать результат эксперимента или измерить какое-либо свойство объекта. Также дисперсия используется для оценки качества статистических моделей и прогнозирования будущих значений.

Дисперсия света

Дисперсия света — это явление, при котором свет с разной длиной волны преломляется в разных средах по-разному. Это происходит из-за того, что скорость света в разных средах различна. В результате этого свет с разными длинами волн отклоняется на разные углы в зависимости от его частоты.

Открытие дисперсии принадлежит великому швейцарскому физику Альберту Эйнштейну, который в 1905 г. объяснил этот эффект с помощью своей специальной теории относительности.

Дисперсия света

Это явление широко используется в оптике и физике для создания различных оптических устройств, таких как призмы, линзы и зеркала.

Например, применяется в спектроскопических исследованиях для анализа химического состава веществ по спектрам их излучения. В лазерной технике для создания лазерных лучей с определенной длиной волны, а также в оптике и фотографии для создания различных оптических систем и фильтров.

В целом, дисперсия света представляет собой фундаментальное явление, которое играет важную роль в нашем понимании природы света и его взаимодействия с материей.

Средняя дисперсия, математическая

Это мера разброса значений в выборке относительно среднего значения, рассчитывается следующим образом:

  • где D — средняя дисперсия,
  • n — количество значений в выборке,
  • x — значение каждого элемента выборки,
  • μ — среднее значение выборки.

Например, если у нас есть выборка из 5 чисел: 2, 4, 6, 8, 10, то средняя дисперсия будет равна:

(1/5) * (2 — 4)^2 + (4 — 6)^2 + (6 — 8)^2 + (8 — 10)^2 = 0.

Таким образом, средняя дисперсия в данном случае равна 0. Это означает, что все значения в выборке находятся на одинаковом расстоянии от среднего значения, и разброс между ними минимален.

Формула дисперсии

Для вычисления дисперсии необходимо выполнить следующие шаги:

1. Найти среднее значение данных (μ).

2. Вычислить сумму квадратов отклонений каждого значения от среднего (x — μ)².

3. Разделить эту сумму на количество данных (n).

4. Результат будет являться дисперсией (D).

Например, пусть у нас есть данные о высоте деревьев в метрах: 10, 12, 14, 16, 18. Среднее значение этих данных равно 14 м. Чтобы вычислить дисперсию, нужно найти сумму квадратов отклонений от этого значения:

(10 — 14)² + (12 — 14)² + (14 — 14)² + (16 — 14)² + (18 — 14)² = 9 + 4 + 0 + 4 + 9 = 26

Затем разделим эту сумму на число данных (5):

В данном случае дисперсия равна 5,2 м². Это означает, что высота деревьев в этой выборке имеет разброс около 5,2 метров. Данный способ может использоваться для сравнения различных выборок данных или для оценки точности измерений.

Применение дисперсии

Дисперсия имеет множество применений в различных областях, подробнее:

  • Оптика — для разделения белого света на разные цвета при прохождении через призму или другую оптическую систему.
  • Спектроскопия — измерение длины волн света путем разделения его на составляющие цвета и определения их положения на шкале длин волн.
  • Фотография — создание цветных изображений. Для этого используются цветные фильтры или дифракционные решетки, которые изменяют дисперсию света в зависимости от длины волны.
  • Медицина — анализ состава крови или других биологических жидкостей по спектрам их поглощения, определение состава биологических тканей.
  • Наука — для изучения свойств кристаллов и других материалов, а также для исследования процессов, происходящих в атмосфере и океанах.
  • Оптические приборы: призмы и линзы, для разделения света на его составляющие цвета.
  • Радиоволны: для компенсации задержек сигнала, вызванных неоднородностями среды распространения.
  • Акустика: для определения скорости звука в различных средах.
  • Кристаллография: дисперсия рентгеновских лучей используется для изучения кристаллических структур материалов.
  • Астрономия: определение расстояний до звезд и галактик.

Что такое дисперсия света – открытие Ньютона, что нужно знать

Пока ученые не объяснили видимые природные явления, когда все цвета выстраиваются в определенном порядке или мигрируют один в другой (радуга, северное сияние), людям казалось это чем-то волшебным. Сейчас мы понимаем, что это происходит из-за преломления солнечного потока. Но давайте разберемся в этом явлении чуть глубже. Что представляет собой дисперсия света?

Дисперсия

Определение дисперсии света

Солнце проходит через прозрачные или условно прозрачные вещества, такие как вода, стекло, хрусталь. При этом белый луч, который мы считаем бесцветным, раскладывается на составляющие его радужные цвета.

Это происходит из-за того, что волны, попадая из одного вещества в другое, частично или полностью меняют свое направление. Такое изменение направления называется преломлением.

Но почему поток из белого, превращается в разноцветный? Это объясняется тем, что он не монохромный, а как раз содержит в себе весь цветовой ряд. Когда диапазоны всех цветов сливаются, мы видим белое излучение. При этом каждый цвет имеет разную длину волны. И в зависимости от нее по-своему меняет угол преломления.

Например, для зеленого диапазона угол отклонения будет больше, чем для оранжевого, а для синего больше, чем для зеленого. При этом скорость распространения изменяется при прохождении через другую среду, а вот частота остается прежней.

Свет

Объяснив эти наблюдения, можно дать определение такому понятию, как разложение белого света на составляющие.

Дисперсия — это зависимость показателя преломления от длины волны, или зависимость скорости света в веществе от длины волны. Это определение можно представить в виде формулы: n = f(v) или n = f(v), где

n — показатель приломления, λ — длина, а ν — частота.

Где встречается в природе

Разложение волнового потока в природе мы наблюдаем часто, но порой даже не догадываемся, что это дисперсия.

  • Солнце на заходе, окрашивает все в красный или оранжевый цвет. Это происходит из-за разложения освещения в среде газа, который составляет нашу атмосферу.
  • На дне аквариума или водоема с достаточно прозрачной водой мы можем видеть радужные блики. Это солнечный диапазон, преломленный в воде, раскладывается на цветовой спектр.
  • Бриллианты, огранённый хрусталь, фиониты переливаются всеми гранями при ярком освещении.

Читайте также: Что такое цветовая температура: холодный или теплый свет, индекс в Кельвинах.

Первые шаги на пути к открытию дисперсии

Еще задолго до того, как явление разложение спектра было описано и объяснено с точки зрения современной физики и представлений о волновой природе облучения, люди наблюдали и пытались понять суть этого явления.

Древнегреческий ученый Аристотель еще в 3 веке до н.э. активно изучал и пытался дать объяснение некоторым свойствам светового потока. Он наблюдал дисперсию света в природе и даже пытался экспериментально выяснить, как устроено солнечное излучение.

Так он выяснил, что солнечные лучи могут иметь разный цвет. И попытался описать суть этого явления. Ученый объяснил это тем, что разный оттенок свет приобретает из-за разного «количества темноты» в нем. Если темноты много, тогда освещение становится фиолетовым, если мало, то красным.

Уже тогда ученый сделал предположение, что белый спектр является основным и состоит из множества оттенков.

Открытие Ньютона

Конечно, первым, кто экспериментально доказал и описал зависимость преломления светового потока от длины волны, был Исаак Ньютон. С 1666 года он активно занимался изучением явления преобразования бесцветного диапазона.

Открытие Ньютона

В солнечный день ученый затемнил комнату и оставил только небольшой просвет в окне, через который проходила тонкая полоска солнца. Ньютон поставил треугольную хрустальную призму, чтобы на нее попадал луч. Пройдя через прозрачный хрусталь, белый свет превратился в ряд разноцветных полос.

Цвета были расположены строго по порядку от красного до фиолетового. Ученый выделил семь полос разного оттенка и назвал этот ряд спектром (от латинского видимый).

Сегодня для опытного наблюдения разложения диапазона применяют дифракционные решетки. Это стеклянные пластины с нанесенными бороздками и тонкими отверстиями. С помощью них можно наблюдать разложение не только цветового спектра, но и расщепление самого луча.

Советуем посмотреть видео:

Аномальная дисперсия

Нормальная дисперсия характеризуется тем, что чем выше частота излучения, тем больше угол преломления.

Аномальная же — это разновидность обычного расщипления видимого диапазона, когда при распространении света в веществе показатель преломления уменьшается с увеличением частоты светового потока. То есть обратная зависимость.

На практике отличия между двумя видами явлений можно увидеть в парах некоторых газов. При разложении луча красные волны преломляются больше чем синие, а некоторый диапазон поглощается веществом.

Читайте также: Кто первым изобрел лампу накаливания.

Радуга

Самым ярким и занятным проявлением разложения спектра в природе является радуга. После дождя в насыщенной водными каплями атмосфере солнечные лучи проходит через эти капли. Преломляясь в водных порах поток раскладывается на спектральную полосу.

Явление радуги

Солнечный поток может преломляться дважды. Тогда мы видим двойную радугу. При чем, во второй радуге цвета расположены в обратно порядке от фиолетового к красному. Это явление редкое, но объяснимое с точки зрения физики.

Чем выше радуга, там она бледнее и наоборот.

В заключение

Очень часто мы сталкиваемся с явлениями обыденными, объяснить которые мы по-прежнему не всегда можем. Но появление радуги теперь для нас вполне объяснимо. Попробуйте провести ньютоновский опыт с детьми и делитесь своими результатами в комментариях и социальных сетях.

Дисперсия света – удивительное явление природы

Дисперсия света представляет собой явление разложения луча белого света на цветные лучи. Это происходит при прохождении света через трёхгранную призму.

История открытия

Опыты Ньютона

Явление дисперсии света было открыто в 1672 году известным учёным Ньютоном, который путём серии экспериментов доказал прямую зависимость между цветом световой волны и её частотой. Самым наглядным природным подтверждением проделанного учёным опыта является появление радуги после дождя. В этом случае белый свет преломляется через множество капель, образуя целый спектр света, от красного к фиолетовому цвету. Во многом именно благодаря открытию явления дисперсии света удалось доказать волновую природу света.

Изучение явления

Спектральный прибор

Спектральный прибор

Видимый белый свет включает монохроматические волны, обладающие разной длиной. Совокупность таких волн называют световым спектром, а прибор, при помощи которого изучают дисперсию света, именуется спектральным. Так, простейшим спектральным прибором, при помощи которого можно произвести разложение света в спектр, является стеклянная призма. Математически явление дисперсии света определяется как зависимость преломления того или иного вещества от длины световой волны.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка на лазер

Дифракционная решетка на лазер

Для более детального изучения явления дисперсии света были изобретены дифракционные решётки. Эти приборы состоят из большого количества щелей и выступов, которые в периодической последовательности наносятся на специальные (стеклянные или металлические) поверхности. Благодаря применению высоких технологий, удалось создать такие дифракционные решётки, которые на каждом миллиметре своей структуры содержат около 2000 штрихов. Существуют также более грубые дифракционные решётки, содержащие всего лишь 100 штрихов на 1 миллиметр. Однако следует отметить, что функцию этого прибора могут выполнять такие обыденные предметы, как граммофонная пластинка или компакт-диск.

Радуга

Двойная радуга

В том случае, если свет внутри дождевой капли преломляется только один раз, появляется так называемая первичная радуга. Однако при двух отражениях на небе появляется двойная радуга, которая представляет собой более редкое природное явление. Та радуга, диаметр которой меньше, более яркая и обладает стандартным порядком цветов. Вторая радуга, напротив, менее заметна и обладает обратным порядком цветов спектра. Таким образом, необычно красивое явление радуги после дождя можно объяснить простыми физическими законами.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Дисперсия света. Цветовой диск Ньютона

Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

  • Участник: Ворошнин Данил Александрович
  • Руководитель: Базыльникова Марина Александровна

Введение

Мы живем в мире разнообразных световых явлений – радуга, полярные сияния, голубое небо. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.

В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – насколько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении Солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.

Все эти явления связаны с понятием «свет». В обыденной речи «свет» мы используем в самых разных значениях: ученье – свет, а неученье – тьма, свет мой, солнышко, скажи … В физике термин «свет» имеет гораздо более определенное значение. Опытным путем было установлено, что свет нагревает тела, на которое падает. Следовательно, он передает этим телам энергию. Мы также знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, следовательно, Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения. Свет обладает множественными свойствами, одним таким свойством света является – дисперсия. Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но не всегда замечаем этого. Но если быть внимательным, то явление дисперсии всегда нас окружает. Одно из таких явлений это обычная радуга. На первый взгляд радуга это что-то простое, на самом деле при возникновении радуги происходят сложные физические процессы. Поэтому мы выбрали тему дисперсия света для того, чтобы глубже понять физические процессы и явления, происходящие в природе. Это очень интересная тема и мы постараемся в своем проекте представить все моменты, происходящие в истории развития науки о свете и показать опыты по демонстрации дисперсии света, а так же свою экспериментальную установку, разработанную специально для наблюдения дисперсии света, которая впоследствии может быть использована на уроках физики при изучении данной темы.

Цель проекта – изучение понятия «Дисперсия света» и изготовление экспериментальной установки «Цветовой диск Ньютона».

Задачи:

  1. Изучить историю открытия И. Ньютоном явления Дисперсия света.
  2. Рассмотреть спектральный состав света.
  3. Дать понятие о дисперсии света.
  4. Подготовить эксперименты по наблюдению дисперсии света.
  5. Рассмотреть природное явление радуга.
  6. Изготовить экспериментальную установку «Цветовой диск Ньютона».

I. Теоритическая часть

1.1. Открытие Исаака Ньютона

В 1665–1667 годах Исаак Ньютон – английский физик и математик занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, данное наблюдение его очень заинтересовало, и он решил разгадать природу возникновения цветных полос. В это время в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор. Главный опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов (рис. 1).

Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона

Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона

1.2. Спектральный состав света

Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).

Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр

Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр

Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части (рис. 3).

Рисунок 3. Спектр

Рисунок 3. Спектр

Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.

Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.

1.3. Дисперсия света

Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.

Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.

Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.

Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света (рис. 4).

Рисунок 4. Преломление светового луча

Рисунок 4. Преломление светового луча

Закон преломления света: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

sin α = n21
sin β

где n21относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

При изменении угла падения α меняется и угол преломления β , но при любом угле падения отношения синусов этих углов остается постоянным для данных двух сред.

sin α = n.
sin β

Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то

sin α = n,
sin β

где n абсолютный показатель преломления второй среды.

Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.

Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.

Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:

sin α = n21 = V1
sin β V2

Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.

Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.

Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.

Абсолютный показатель преломления стекла n, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).

Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму

Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму

1.4. Радуга

Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).

Рисунок 6. Природное явление радуга

Рисунок 6. Природное явление радуга

Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.

Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).

Рисунок 7. Преломления света в капле дождя

Рисунок 7. Преломления света в капле дождя

Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный.

Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.

Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).

Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя

Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя

Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).

Рисунок 9. Радуга с борта самолета

Рисунок 9. Радуга с борта самолета

II. Практическая часть

2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света

Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.

Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках

Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.

Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.

Эксперимент № 1

Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму

Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).

Эксперимент № 2

Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.

Ход эксперимента № 2

Ход эксперимента № 2

Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду

Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.

Эксперимент № 3

Эксперимент № 3

Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.

Ход эксперимента № 3

Ход эксперимента № 3

1.2. Цветовой диск Ньютона

Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).

Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет

Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет

На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).

Рисунок 11. Цветной диск Ньютона

Рисунок 11. Цветной диск Ньютона

Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).

Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра

Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра

Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.

В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).

Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона

Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона

Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:

  1. Скорость вращения круга очень низкая по сравнению со скоростью света;
  2. Круг окрашен с резкими цветовыми переходами, если сравнивать со спектром разложения белого света.

Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.

Заключение

Окружающий нас мир играет красками: нас радует и волнует голубизна неба, зелень травы и деревьев, красное зарево заката, семицветная дуга радуги. В своем проекте мы попытались ответить на вопрос — как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. В целом поставленная цель об изучении такого явления как дисперсия света в итоге достигнута. Для того чтобы глубже понять такое свойство света как дисперсия, была изучена дополнительная литература по световым явлениям, были проведены эксперименты по наблюдению явления, была изготовлена установка для вращения цветового круга Ньютона с некоторой скоростью.

В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:

  1. Дисперсия – явление разложения белого света в спектр.
  2. Белый цвет имеет сложную структуру, состоящий из нескольких цветов.
  3. При падении света на границу раздела двух прозрачных сред световые лучи различной цветности преломляются по разному (наиболее сильно-фиолетовые лучи, менее других- красные).
  4. Призма не изменяет цвет, а лишь разлагает его на составные части.

Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *