§ 35. Дисперсия света

Определения и обозначения

Дисперсия света — зависимость показателя преломления вещества от цвета, или длины волны, света. Показатель преломления показывает, как меняется направление луча при переходе в вещество. Из-за дисперсии лучи разных цветов в одном и том же веществе преломляются неодинаково. Это понятие помогает объяснить, почему белый свет разделяется призмой на цвета.

Спектр — полоса цветных изображений, которая получается, когда свет разделяется на составляющие цвета. В видимом спектре цвета располагаются в порядке: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. На одном краю находится красный цвет, на другом — фиолетовый. По спектру можно судить, какие цвета содержатся в исходном свете.

Монохроматический свет — свет одного цвета, которому соответствует одна длина волны. Например, красный свет в школьных опытах можно считать монохроматическим. Призма изменит направление такого луча, но не разделит его на полосу цветов. Это различие позволяет понять, почему белый свет ведёт себя иначе, чем луч одного цвета.

Белый свет — свет, содержащий лучи разных цветов. Если его пропустить через призму, на экране можно увидеть последовательность цветов спектра. Значит, белый свет не является лучом какого-то одного цвета, а складывается из цветных составляющих. Это становится заметно, когда составляющие разделяются при преломлении.

Как это устроено

Чтобы увидеть разложение, направляют узкий пучок белого света на призму, а за ней помещают экран. Внутри призмы луч преломляется при входе, а затем ещё раз — при выходе в воздух. Цветные составляющие после преломления идут немного в разных направлениях, поэтому на экране оказываются разнесены. Экран нужен не для создания цветов, а чтобы поймать вышедшие из призмы лучи и увидеть их как отдельные полосы.

Причина разделения — дисперсия: показатель преломления стекла неодинаков для разных цветов. На границе сред каждый луч меняет направление согласно тому, как быстро свет распространяется в этих средах. Поскольку для разных цветов это изменение различно, углы преломления тоже получаются разными. В результате составляющие белого луча постепенно расходятся и образуют спектр.

Красный и фиолетовый лучи отклоняются неодинаково. В стеклянной призме красный преломляется слабее, а фиолетовый — сильнее, поэтому фиолетовая часть спектра расположена дальше от исходного направления луча. Между ними располагаются остальные цвета. Это сравнение помогает определить края спектра и не перепутать порядок цветов.

Опыт Ньютона с призмой показал, что белый свет имеет сложный состав. Когда узкий пучок солнечного света пропускали через призму, на экране появлялась цветная полоса, а не одно изображение. Ньютон также показал, что цветные лучи можно собрать вместе и получить белый свет. Значит, призма разделяет составляющие, уже присутствующие в белом свете, а не окрашивает его.

Цвет предмета зависит от света, который на него падает. Поверхность обычно отражает одни составляющие этого света и поглощает другие, а до глаза доходит отражённая часть. Например, предмет кажется красным при белом освещении, если он отражает преимущественно красный свет, а остальные цвета поглощает. Если изменить освещение, видимый цвет предмета тоже может измениться.

Цвета видимого спектра и их преломление в призме

Пользуйся таблицей, чтобы определить порядок цветов и сравнить, насколько они отклоняются. Чем ближе цвет к фиолетовому краю, тем сильнее его отклонение в призме. Для простого сравнения запомни крайние случаи: красный отклоняется меньше всего, фиолетовый — больше всего.

Разбор задач

Задача 1. Луч белого света прошёл через призму. Какого цвета луч отклонится сильнее всего и какого — слабее всего? Нужно сравнить крайние цвета спектра, а не считать, что все лучи меняют направление одинаково. Для ответа достаточно применить правило дисперсии в призме.

1. Белый свет содержит лучи разных цветов, которые после преломления расходятся.
2. Среди видимых цветов фиолетовый отклоняется сильнее остальных, а красный — слабее.
3. Сопоставляем это с вопросом: наибольшее отклонение у фиолетового, наименьшее — у красного.

Ответ: сильнее всего отклонится фиолетовый луч, слабее всего — красный.

Задача 2. Ученик направил на призму красный свет, а затем белый. Опишет ли экран спектр в обоих случаях? Сначала выясним, состоит ли каждый падающий пучок из одного цвета или из нескольких. От этого зависит, появятся ли после призмы разнесённые цветные изображения.

1. Красный свет в этой задаче считаем монохроматическим, то есть светом одного цвета.
2. Призма преломит красный луч, но не разделит его на набор цветов, поэтому цветной полосы не будет.
3. Белый свет содержит много цветовых составляющих, и призма отклонит их под разными углами.

Ответ: спектр появится при прохождении белого света, но не красного монохроматического света.

Задача 3. Белый свет после призмы направили на вторую призму, установленную противоположно первой. Как изменится свет после второй призмы и почему? Представим, что первая призма разделила луч на цвета, а вторая меняет их направление так, чтобы они снова сошлись. Важно, что второй элемент не просто повторяет разделение, а действует в обратном направлении.

1. После первой призмы на вторую падают цветные составляющие белого света.
2. Противоположно установленная призма преломляет их навстречу друг другу и объединяет.
3. Когда составляющие снова складываются, возникает свет, похожий по составу на исходный белый.

Ответ: после второй призмы цветные лучи соединятся, и получится белый свет.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что призма окрашивает белый свет. Так можно подумать, потому что цветные полосы появляются только после прохождения призмы. Но призма разделяет лучи разных цветов, уже входившие в состав белого света. Проверь себя: если собрать лучи спектра вместе, снова получится белый свет.

Ошибка: утверждать, что красный луч отклоняется сильнее фиолетового. Возможно, это путают с привычным расположением цветов или просто запоминают порядок неправильно. В призме сильнее отклоняется фиолетовый, а красный — слабее. Проверка простая: край спектра с наименьшим отклонением — красный.

Ошибка: объяснять спектр отражением от призмы. Цветные полосы возникают не потому, что призма отражает разные цвета, а потому, что преломляет их под разными углами. Это связано с зависимостью показателя преломления от цвета. Чтобы проверить объяснение, проследи путь луча: он проходит через призму и меняет направление на границах сред.

Ошибка: считать, что предмет сам испускает цвет, который мы видим. Большинство обычных предметов видны благодаря отражённому свету: одни его составляющие поверхность отражает, а другие поглощает. Поэтому цвет зависит и от освещения. Проверь себя вопросом: будет ли красный предмет выглядеть таким же при свете, в котором нет красных составляющих?

Связь с другими темами

Для объяснения дисперсии нужно знать, что такое преломление света. При переходе из одной среды в другую луч меняет направление, а показатель преломления описывает особенности этого изменения. Разница в преломлении цветов и приводит к их разделению.

Тема связана с распространением и отражением света, потому что освещённые предметы мы видим по свету, который от них попадает в глаз. То, какие составляющие отражает поверхность, определяет её видимый цвет. Поэтому свет и свойства предмета рассматривают вместе.

Дисперсия помогает объяснить радугу: капли воды разделяют солнечный свет на цвета. Её также используют для получения спектра в оптических приборах. Изучая спектр, можно узнать, из каких составляющих состоит свет.

Что запомнить

• Белый свет состоит из лучей разных цветов.
• Призма разлагает белый свет в спектр.
• Разложение света связано с зависимостью показателя преломления от цвета.
• Фиолетовый луч в призме отклоняется сильнее красного.
• Монохроматический свет не разлагается на спектр.
• Цвет предмета зависит от того, какие составляющие падающего света он отражает.