5. Почему мы видим мир цветным?

Определения и обозначения

Белый свет — смесь световых волн разных цветов, которая при разложении даёт спектр. Отдельные составляющие этой смеси глаз обычно воспринимает вместе, поэтому свет кажется белым. Понятие нужно, чтобы понять, почему один источник может дать сразу много цветов.

Спектр — последовательность цветных полос, получаемая при разложении белого света. В нём излучения расположены по длинам волн, а не случайно. Спектр позволяет увидеть состав света и сравнить его цветовые составляющие.

Дисперсия света — зависимость показателя преломления и угла преломления света от его цвета. Поэтому лучи разных цветов после прохождения через стекло отклоняются неодинаково. Это понятие объясняет действие призмы и появление радуги.

Цвет — зрительное ощущение, возникающее при попадании в глаз света определённого состава. Один и тот же предмет может выглядеть по-разному при смене освещения. Значит, цвет связан не только с предметом, но и со светом, который достигает глаза.

Как это устроено

Белый свет можно представить как смесь излучений с разными длинами волн. Каждая такая составляющая связана с определённым цветовым ощущением, но при совместном действии они воспринимаются как белые. Доказать сложный состав белого света можно, пропустив его через призму и получив цветную полосу.

Призма разделяет свет не потому, что сама окрашивает его, а потому, что изменяет направление лучей. При переходе из воздуха в стекло скорость света меняется, и луч преломляется. Показатель преломления стекла различен для разных цветов, поэтому после выхода из призмы лучи расходятся под разными углами.

Цвета в спектре располагаются от красного к фиолетовому из-за различий в длине волны и преломлении. Красный свет имеет наибольшую длину волны среди видимых цветов и отклоняется слабее. Фиолетовый свет имеет меньшую длину волны и преломляется сильнее, поэтому оказывается дальше от красного края.

Поверхность предмета действует как своеобразный фильтр для падающего света. Например, красная книга отражает преимущественно красные лучи, а остальные в значительной степени поглощает. В глаз попадает отражённый свет, и мозг связывает его состав с цветом предмета.

Прозрачное тело тоже может менять состав света, если пропускает одни лучи лучше других, а остальные поглощает. Поэтому через цветное стекло белый свет выходит окрашенным. При наложении цветных световых потоков их излучения складываются, и глаз может воспринимать новый цвет; смешение красок происходит иначе, потому что пигменты поглощают свет.

Цвета видимого спектра и их характеристики

Длины волн в таблице указаны приблизительно: границы между цветами плавные, а не резкие. Для определения отклонения достаточно сравнить положение цветов: чем ближе цвет к фиолетовому краю, тем сильнее он преломляется в стеклянной призме.

Разбор задач

Задача 1. Луч белого света проходит через стеклянную призму

Объясните, почему на экране появляется полоса цветов, и укажите порядок цветов. Нужно связать наблюдение с дисперсией, а не считать, что стекло создаёт цвета. Экран показывает направления, по которым после призмы распространяются разные составляющие света.

1. Белый луч содержит излучения разных цветов и длин волн.
2. В стекле показатель преломления зависит от цвета, поэтому составляющие преломляются под разными углами.
3. После выхода из призмы лучи расходятся и попадают на разные места экрана, образуя спектр.
4. Слабее всего отклоняется красный луч, а сильнее всего — фиолетовый.

Ответ: на экране появляется спектр, расположенный в порядке красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.

Задача 2. Красная книга освещена белым светом

Определите, какие лучи преимущественно отражаются от обложки и какие поглощаются. Цвет книги объясняется не тем, что она излучает красный свет, а её избирательным взаимодействием с падающим светом. Поэтому нужно сравнить состав падающего и отражённого света.

1. Падающий белый свет содержит лучи всех видимых цветов.
2. Красный материал хорошо отражает красную часть спектра.
3. Большую часть лучей других цветов обложка поглощает или отражает значительно слабее.
4. В глаз попадает преимущественно красный свет, поэтому книга кажется красной.

Ответ: преимущественно отражаются красные лучи, а оранжевые, жёлтые, зелёные, голубые, синие и фиолетовые поглощаются сильнее.

Задача 3. На белый экран направили красный и зелёный свет

Какой цвет будет воспринимать глаз в области наложения и чем это отличается от смешения красок? Экран не поглощает эти потоки так, как пигмент, а отражает падающий свет к наблюдателю. Значит, рассматривается сложение световых излучений, а не смешение веществ.

1. В область наложения одновременно поступают красные и зелёные световые волны.
2. Оба потока достигают глаза, где их совместное действие формирует новое цветовое ощущение.
3. При обычной цветовой модели сложения красного и зелёного света воспринимается как жёлтый.
4. Краски действуют иначе: каждый пигмент поглощает часть спектра, поэтому смесь обычно отражает меньше света и темнеет.

Ответ: область наложения будет восприниматься жёлтой; это результат сложения световых потоков, а не смешения красок.

Типичные ошибки

«Призма окрашивает белый свет». Ошибка появляется, когда спектр принимают за цвет стекла. Проверьте себя: если убрать белый свет, призма сама не создаст на экране набор цветов.

«Цвет предмета не зависит от освещения». Так думают, потому что в обычной жизни предметы рассматривают при белом свете. Представьте красную книгу в зелёном свете: если красных лучей нет, отражать почти нечего.

«Все цвета преломляются одинаково». Это противоречит самому появлению раздельных полос после призмы. Проверьте рассуждение по краям спектра: красный отклоняется слабее, фиолетовый сильнее.

«Свет и краски смешиваются одинаково». Ошибку вызывают привычные примеры с гуашью и пластилином. Сначала определите процесс: складываются ли потоки света или пигменты поглощают части спектра.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о распространении света, отражении и преломлении, а также связь скорости, частоты и длины волны. Дисперсия продолжает тему линз и оптики: она объясняет действие призмы и цветные искажения. Позже эти идеи помогут понять радугу, спектральные приборы, цветное зрение и формирование цветов на экранах.

Что запомнить

• Белый свет является сложным и состоит из излучений разных цветов.
• Разложение белого света на цвета называют получением спектра.
• Дисперсия — зависимость преломления света от его цвета.
• В призме красный свет отклоняется слабее, а фиолетовый сильнее.
• Цвет непрозрачного предмета определяется преимущественно отражёнными им лучами.
• При сложении цветных световых потоков цвета могут образовывать новые цвета.
• Видимый свет составляет только часть электромагнитного излучения.