40. Разложение белого света на цвета. Дисперсия света

Определения и обозначения

Дисперсия света — зависимость показателя преломления вещества от частоты или длины волны света, из-за которой свет разных цветов преломляется по-разному. Показатель преломления показывает, как свет распространяется в веществе и насколько меняет направление при переходе в него. Понятие дисперсии объясняет, почему лучи, проходящие через одно и то же вещество, могут расходиться.

Спектр белого света — последовательность цветных полос, на которые раскладывается белый свет. Полосы располагаются от красной до фиолетовой и переходят одна в другую. По спектру можно увидеть, что белый свет содержит лучи разных цветов.

Призма — прозрачное тело с плоскими преломляющими гранями; проходя через неё, свет изменяет направление, а лучи разных цветов отклоняются неодинаково. Грани призмы меняют направление лучей на границе воздуха и стекла. Поэтому призму используют, чтобы наблюдать разложение света на спектр.

Монохроматический свет — свет одной определённой частоты, соответствующий одному цвету спектра. Такой луч не распадается на набор разных цветов так, как это происходит с белым светом. Понятие помогает различать один цвет и смесь лучей многих цветов.

Как это устроено

Исаак Ньютон направил узкий пучок солнечного белого света на стеклянную призму, а за ней поместил экран. На экране появилась не белая полоска, а ряд цветных полос — спектр. Если бы белый свет был лучом только одного цвета, призма изменила бы его направление, но не дала бы целый ряд цветов. Значит, белый свет уже состоит из лучей разных цветов, а призма разделяет их.

При переходе из воздуха в стекло лучи преломляются, то есть меняют направление на границе двух сред. Но величина этого изменения зависит от длины волны: стекло по-разному преломляет лучи разных цветов. Поэтому после призмы они идут под разными углами и постепенно расходятся. Именно эту зависимость преломления от длины волны называют дисперсией.

Цвета спектра располагаются в порядке от красного через оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой и синий к фиолетовому. Красный луч отклоняется призмой слабее всех, а фиолетовый — сильнее всех. Такое различие появляется потому, что показатель преломления стекла для этих цветов неодинаков. В результате фиолетовый край спектра оказывается дальше от направления исходного луча, чем красный.

Цветные лучи можно соединить, чтобы снова получить белый свет. Например, собирающая линза сводит разошедшиеся после первой призмы лучи в одну область: цветные составляющие накладываются друг на друга. Похожий результат даёт вторая призма, поставленная так, чтобы её действие было обратным действию первой. Если отклонения цветных лучей компенсируются, на выходе получается белый свет.

Спектр нельзя считать набором полос, разделённых абсолютно резкими границами. Длина волны меняется непрерывно, а вместе с ней постепенно меняется и преломление луча. Поэтому соседние цвета плавно переходят друг в друга. Названия цветов удобны для описания спектра, но между ними нет чётких природных разделителей.

Цвета видимого спектра и их отклонение в призме

Читайте таблицу сверху вниз, чтобы восстановить порядок цветов от красного края спектра к фиолетовому. Сравнивая отклонение, помните: оно постепенно возрастает по мере движения к фиолетовому. Таблица показывает общий порядок, а не точные углы отклонения.

Разбор задач

Задача 1. Узкий пучок белого света проходит через призму. Опишите, что будет видно на экране.

1. Сначала учитываем, что белый свет содержит лучи разных цветов. Каждый луч при переходе в призму преломляется, но угол преломления зависит от длины волны.

2. Поэтому после призмы лучи расходятся и попадают на разные участки экрана. Они образуют цветные полосы, расположенные в определённом порядке.

3. Записываем цвета от меньшего отклонения к большему: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.

Ответ: на экране будет виден спектр от красной полосы до фиолетовой; красная окажется отклонена слабее, фиолетовая — сильнее.

Задача 2. Какой из двух лучей — красный или фиолетовый — сильнее отклонится в призме? Обоснуйте ответ.

1. Сравниваем цвета не по яркости, а по преломлению в призме. Показатель преломления стекла зависит от длины волны, поэтому углы отклонения лучей различаются.

2. В спектре красный луч отклоняется меньше остальных, а фиолетовый — больше остальных. Это и есть проявление дисперсии света.

3. Следовательно, среди двух названных лучей нужно выбрать фиолетовый. Он отклонится сильнее красного.

Ответ: сильнее отклонится фиолетовый луч, потому что показатель преломления стекла для него отличается от показателя преломления для красного света.

Задача 3. После первой призмы на экране получен спектр. Как расположить вторую призму, чтобы снова получить белый свет?

1. Нужно не разделить цвета ещё раз, а свести уже разошедшиеся лучи вместе. Для этого действие второй призмы должно компенсировать отклонение, вызванное первой.

2. Поворачиваем вторую призму так, чтобы её преломляющее действие было противоположно действию первой. Тогда цветные лучи начнут сходиться, а не расходиться дальше.

3. Проверяем условие результата: лучи всех цветов должны наложиться друг на друга. Если они сходятся в одну область, смесь цветов снова выглядит белой.

Ответ: вторую призму нужно расположить так, чтобы её действие компенсировало отклонение первой и цветные лучи соединились. Получить тот же результат можно собирающей линзой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что призма окрашивает белый свет. Так можно подумать, потому что цветные полосы видны только после призмы. На самом деле цвета уже входят в состав белого света, а призма разделяет их из-за различного преломления. Проверьте себя: если бы призма создавала цвета, повторное соединение лучей не давало бы снова белый свет.

Ошибка: утверждать, что красный луч отклоняется сильнее фиолетового. Порядок цветов легко перепутать, если помнить только вид спектра, но не сравнение углов. Проверка проста: красный отклоняется слабее всех, фиолетовый — сильнее всех.

Ошибка: представлять спектр как отдельные цветные полосы с чёткими границами. Названия цветов создают такое впечатление, однако соседние участки спектра плавно переходят один в другой. Чтобы проверить себя, вспомните, что длина волны и преломление меняются постепенно.

Ошибка: считать, что любое преломление обязательно разлагает свет. Луч может изменить направление и без заметного разделения на цвета, если лучи разных цветов преломляются одинаково. Для разложения необходимо различие в их преломлении, то есть проявление дисперсии.

Связь с другими темами

Чтобы понять дисперсию, нужно знать преломление света на границе двух сред. Пригодятся понятия падающего, преломлённого и отражённого лучей: они помогают проследить, куда направляется свет у границы воздуха и стекла. Дисперсия развивает это представление, показывая, что лучи разных цветов преломляются неодинаково.

Разложение света важно для изучения оптических приборов и спектрального анализа — метода исследования вещества по его свету. Оно также помогает объяснять природу цвета и то, как цветные лучи складываются в белый свет. Так тема связывает геометрическую оптику с практическим исследованием света и веществ.

Что запомнить

• Белый свет состоит из лучей разных цветов.
• Призма разлагает белый свет в спектр.
• Разложение связано с дисперсией света.
• Показатель преломления вещества зависит от длины волны света.
• Красный луч отклоняется в призме слабее фиолетового.
• Цветные полосы спектра плавно переходят одна в другую.
• Цветные лучи можно снова соединить и получить белый свет.