§ 62. Разложение белого света в спектр

Определения и обозначения

Белый свет — свет, который при разложении даёт набор цветов спектра. Значит, белый свет нельзя считать светом одного цвета: в нём соединены лучи разных цветов, хотя глаз обычно воспринимает их вместе. Это объясняет, почему после прохождения через призму белый пучок может разделиться на цветные части.

Спектр — цветная полоса, полученная при разложении белого света. Цвета в ней располагаются от красного к фиолетовому: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Порядок помогает определить, какой край спектра отклонён сильнее.

Дисперсия света — зависимость преломления света в веществе от его цвета. Поскольку лучи разных цветов преломляются неодинаково, они расходятся после прохождения через призму и образуют спектр. Это название связывает наблюдаемое разложение света с причиной: различием преломления цветных лучей.

Монохроматический свет — свет одного цвета. В отличие от белого, он не состоит из набора различных цветов, поэтому призма не разделит его на цветную полосу. Это различие нужно учитывать, когда предсказывают, что появится на экране за призмой.

Как это устроено

Чтобы увидеть разложение, направляют узкий пучок солнечного света на стеклянную призму, а за ней помещают экран. На экране вместо узкого белого пятна появляется вытянутая цветная полоса. Свет меняет направление при переходе из воздуха в стекло и обратно, а лучи разных цветов при этом преломляются неодинаково. Поэтому они выходят из призмы под разными углами и попадают в разные места экрана.

Причина неодинакового отклонения в том, что преломление в стекле зависит от цвета света. Эта зависимость и называется дисперсией. Белый луч содержит составляющие разных цветов, и призма разделяет их, а не добавляет к ним окраску. Если бы призма просто окрашивала луч, цвет полосы определялся бы самой призмой, но при прохождении света через неё наблюдаются разные составляющие белого света.

В спектре цвета расположены от красного к фиолетовому. Красный луч отклоняется в стеклянной призме меньше всех, а фиолетовый — больше всех: между ними располагаются остальные цвета. Так происходит потому, что стекло преломляет лучи этих цветов по-разному. По краям полосы оказываются красный и фиолетовый, а остальные цвета заполняют пространство между ними.

Можно проверить, что цветные лучи вместе дают белый свет: цветную полосу направляют на собирающую линзу, а за линзой ставят экран. Линза собирает разошедшиеся лучи так, чтобы они снова встретились на экране. Если в одну область попадают составляющие спектра, глаз воспринимает их совместно как белый свет. Этот опыт показывает, что белый свет можно разложить на цвета и получить снова их сочетанием.

Радуга похожа на спектр, потому что солнечный свет преломляется в каплях воды. При входе в каплю и выходе из неё луч меняет направление, а составляющие разных цветов отклоняются неодинаково. В результате цвета разделяются и становятся видны наблюдателю в виде цветных полос дуги. Капли воды в этом смысле действуют подобно множеству маленьких призм.

Цвета видимого спектра и их преломление в призме

Сверяй цвет с номером, чтобы не перепутать порядок: первый край — красный, последний — фиолетовый. Столбец отклонения показывает, что чем ближе цвет к фиолетовому, тем сильнее он отклоняется в призме.

Разбор задач

Задача 1. Луч белого света прошёл через призму. Какой цвет окажется у края спектра, отклонённого меньше всего? Сначала определим, что белый свет даёт полный спектр, затем найдём цвет с наименьшим отклонением. В призме меньше всего отклоняется красный луч.

1. Белый свет разделяется на составляющие цвета, поэтому на экране видны все цвета спектра.
2. Сравниваем края спектра: красный отклоняется меньше, чем фиолетовый.

Ответ: красный цвет.

Задача 2. На экран через призму направили узкий пучок красного света. Появится ли на экране цветная полоса из нескольких цветов? Нужно выяснить, является ли падающий свет белым или монохроматическим. Красный свет одного цвета при преломлении изменит направление, но не распадётся на набор цветов.

1. Красный свет считаем монохроматическим: в пучке нет составляющих разных цветов, которые могли бы разойтись.
2. Призма преломит этот пучок, поэтому на экране может появиться красное пятно в другом месте, но не полный спектр.

Ответ: цветная полоса из нескольких цветов не появится.

Задача 3. Два луча — красный и фиолетовый — падают на стеклянную призму одинаково. Как сравнить их отклонения и объяснить результат? Одинаковое падение позволяет сравнить действие призмы, не отвлекаясь на различие направления лучей. Используем дисперсию: преломление зависит от цвета.

1. Определяем цвета лучей: один красный, другой фиолетовый.
2. Вспоминаем порядок отклонения: красный отклоняется меньше всех, фиолетовый — сильнее всех.
3. Значит, угол отклонения фиолетового луча больше, чем красного, из-за зависимости преломления в стекле от цвета.

Ответ: фиолетовый луч отклонится сильнее красного.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что призма окрашивает белый свет. Так можно подумать, потому что за призмой действительно видна цветная полоса. Но призма не создаёт цвета, а разделяет составляющие белого света из-за различного преломления. Проверь себя: при собирании цветных лучей линзой снова получается белый свет.

Ошибка: путать порядок цветов и говорить, что красный луч отклоняется сильнее фиолетового. Цвета легко переставить местами, если не выучить порядок спектра. От красного к фиолетовому отклонение возрастает, так что красный край отклонён меньше, а фиолетовый — больше. Проверь себя по последовательности цветов в таблице.

Ошибка: считать, что любой свет после призмы даст полный спектр. Призма преломляет и свет одного цвета, поэтому сам факт изменения направления ещё не означает появления цветной полосы. Спектр возникает, когда есть лучи разных цветов, как в белом свете. Перед ответом выясни, является ли падающий свет белым или монохроматическим.

Ошибка: объяснять появление спектра отражением от граней призмы. Отражение может менять направление луча, но разделение цветов связано прежде всего с преломлением света на границах сред. Разные цвета преломляются в стекле по-разному, поэтому и расходятся. Проверь объяснение: если в нём нет зависимости преломления от цвета, причина дисперсии не названа.

Связь с другими темами

Чтобы понять разложение белого света, нужно знать, что при переходе из одной среды в другую свет преломляется. Различие преломления для разных цветов — следующий шаг в понимании поведения световых лучей. Призма наглядно показывает этот эффект, а собирающая линза помогает вновь свести цветные лучи.

Спектр связан с изучением радуги, потому что капли воды разделяют солнечный свет на цвета. Представление о цветном составе света пригодится и при изучении цветов тел: наблюдаемый цвет связан со светом, который попадает в глаз. Спектры также используют, чтобы исследовать свет и сравнивать его состав.

Что запомнить

• Белый свет состоит из лучей разных цветов.
• Призма разлагает белый свет в спектр из-за дисперсии.
• Цвета спектра идут в порядке: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
• Красный луч в призме отклоняется меньше всего.
• Фиолетовый луч в призме отклоняется сильнее всего.
• Сочетание цветных лучей спектра может снова дать белый свет.