Свет и цвет

Определения и обозначения

Белый свет — сложный свет, состоящий из излучений разных частот. Его называют сложным, потому что он не задаётся одной частотой: составляющие можно разделить оптическим прибором, например призмой. Это объясняет, почему белый свет способен образовать несколько цветов, а не только один.

Спектр света — совокупность цветов, возникающая при разложении сложного света. В видимом спектре цвета расположены от красного через оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой и синий к фиолетовому. Спектр позволяет увидеть, из каких составляющих сложен свет и как они различаются.

Дисперсия света — зависимость показателя преломления вещества от частоты света. Поскольку показатель преломления определяет, насколько меняет направление луч при переходе в вещество, разные частоты преломляются по-разному. Именно дисперсия позволяет призме разделить составляющие белого света.

Монохроматический свет — свет одной частоты. В пределах видимого диапазона одной частоте соответствует один цвет спектра, поэтому такой свет не раскладывается на набор разных цветов. Этот термин помогает отличать отдельный спектральный цвет от сложного, например белого, света.

Как это устроено

Когда белый луч входит в стеклянную призму, он преломляется на границе воздуха и стекла, а затем ещё раз — при выходе. Белый свет содержит волны разных частот, и показатель преломления стекла для них неодинаков. Значит, лучи меняют направление на разные углы: после призмы они уже не идут вместе, а образуют цветную полосу. Призма не создаёт новые цвета, а разделяет составляющие, которые уже были в падающем свете.

Видимый свет разных цветов отличается частотой и длиной волны: у фиолетового частота выше, а длина волны короче, чем у красного. В стекле показатель преломления для фиолетового света больше. Из-за этого фиолетовый луч сильнее меняет направление при преломлении и отклоняется от первоначального пути больше красного. Такая связь преломления с частотой и составляет причину различного отклонения цветов.

Цвета в спектре располагаются в определённом порядке: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Между ними нет резких физических границ: длины волн меняются непрерывно, а названия обозначают участки этого перехода. Поэтому цветовая полоса не состоит из отдельных чётко отрезанных полос, даже если при наблюдении некоторые границы кажутся заметными.

Если собрать разошедшиеся лучи спектра так, чтобы они снова накладывались друг на друга, можно получить белый свет. Каждая составляющая при сложении вносит свой вклад, и совокупность цветов воспринимается как белая. Это обратное сложение по отношению к разложению: призма разделяет лучи, а оптическая система может снова направить их вместе. Результат зависит от того, что в сложении участвуют составляющие спектра, а не один отдельный цвет.

Непрозрачный предмет не пропускает свет насквозь, поэтому его видимый цвет определяется прежде всего тем, какие составляющие падающего света он отражает. Остальные составляющие поверхность в основном поглощает. Прозрачное тело, напротив, позволяет свету пройти, но может пропускать одни цвета лучше других; его видимый цвет связан с прошедшим светом. Поэтому один предмет при разных источниках освещения способен выглядеть по-разному.

Цвета видимого спектра и примерные диапазоны длин волн

Диапазоны приблизительные: границы между соседними цветами условны, а сами цвета переходят один в другой. По таблице видно, что с уменьшением длины волны преломление в стекле в целом усиливается. Пользуйтесь ею, чтобы сравнить порядок спектральных цветов и оценить, какой луч призма отклонит сильнее.

Разбор задач

Задача 1

Луч белого света проходит через стеклянную призму. Нужно определить, какой цвет отклонится сильнее: красный или фиолетовый. Для ответа достаточно сравнить, как стекло преломляет составляющие разной частоты. Вычисления не нужны, но важно не перепутать порядок цветов.

1. Белый свет содержит и красную, и фиолетовую составляющие.
2. Частота фиолетового света выше, а показатель преломления стекла для него больше, чем для красного.
3. Больший показатель преломления означает более сильное преломление в призме, поэтому фиолетовый луч отклонится сильнее.

Ответ: сильнее отклонится фиолетовый свет.

Задача 2

На предмет падает белый свет. Предмет отражает красный свет и поглощает остальные составляющие. Требуется определить, каким он будет виден наблюдателю. Рассматриваем только свет, который после взаимодействия с поверхностью попадает в глаз. Падающий белый свет сам по себе не задаёт окончательный цвет предмета.

1. Белый свет освещает предмет и содержит составляющие разных цветов.
2. Поверхность отражает красную составляющую, а остальные преимущественно поглощает.
3. В глаз наблюдателя от предмета поступает красный свет, поэтому поверхность воспринимается красной.

Ответ: предмет будет выглядеть красным.

Задача 3

Красный свет проходит через зелёный фильтр. Нужно выяснить, какой свет выйдет с другой стороны. Фильтр не добавляет к падающему излучению цвет, а избирательно пропускает составляющие, близкие к его собственному цвету. Сравним цвет падающего света с тем, который фильтр пропускает преимущественно.

1. На фильтр падает красный свет, то есть свет соответствующего красному участка спектра.
2. Зелёный фильтр в основном пропускает зелёные составляющие и поглощает неподходящие ему.
3. В падающем красном свете зелёной составляющей нет, поэтому фильтру почти нечего пропустить.

Ответ: красный свет через зелёный фильтр практически не выйдет; за фильтром будет темно.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что призма окрашивает белый свет. Такое впечатление может возникнуть, потому что цветная полоса появляется после призмы. На самом деле призма разделяет уже присутствующие составляющие разных частот. Проверка: вспомните, что аналогичное разложение можно получить и другими способами разделить лучи, не добавляя к ним цвет.

Ошибка: путать дисперсию с отражением. Отражение возвращает свет от границы или поверхности, а разложение спектра связано с неодинаковым преломлением лучей разных частот. Эти явления легко спутать, если замечать только изменение направления луча. Проверка: для призмы проследите путь через стекло и его преломление на границах.

Ошибка: утверждать, что предмет всегда имеет один и тот же цвет. Часто цвет воспринимают как постоянное свойство поверхности, забывая об освещении. Предмет может отражать лишь те составляющие, которые есть в падающем свете; при другом источнике он будет выглядеть иначе. Проверка: выясните, какой свет падает на предмет и какие его части поверхность отражает или пропускает.

Ошибка: считать, что цветной фильтр добавляет свет своего цвета. Фильтр не производит излучение, а пропускает часть уже падающего на него света и поглощает остальное. Заблуждение возникает, когда выходящий свет принимают за созданный фильтром. Проверка: если на фильтр не падает свет подходящего цвета, ему нечего пропускать, поэтому за ним будет темно.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о свете как электромагнитной волне и о связи частоты с длиной волны: в вакууме при большей частоте длина волны меньше. Также понадобятся законы отражения и преломления и смысл показателя преломления, который описывает изменение направления света в веществе. Дисперсия помогает объяснять работу оптических приборов, в которых свет разделяют или направляют. Спектры применяют в спектральном анализе, а сведения о цветах — при изучении смешения света.

Что запомнить

• Белый свет состоит из излучений разных частот.
• Разложение света в спектр связано с дисперсией.
• В стекле фиолетовый свет преломляется сильнее красного.
• Видимый спектр охватывает примерно диапазон длин волн от 380 до 750 нм.
• Цвет предмета зависит от падающего на него света и от того, какие лучи он отражает или пропускает.
• Цветной фильтр преимущественно пропускает свет определённых частот.