Дисперсия – тайна солнечного света

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Колебания, волны, звук и здоровье человека

Теплопередача в природе и технике

Атом и люди

Современное воздухоплавание

Введение:

Рассеяние света. Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но мы не всегда это замечаем. Но если вы осторожны, явление рассеивания всегда вокруг нас. Одним из таких явлений является обычная радуга. Наверное, нет человека, который не восхищается радугой. Существует старое английское убеждение, что горшок с золотом можно найти у подножия радуги. На первый взгляд радуга это нечто простое, на самом деле, когда радуга возникает, происходят сложные физические процессы.

Вероятно, поэтому я выбрал тему рассеивания света, чтобы лучше понять физические процессы и явления, происходящие в природе. Это очень интересная тема, и в своей курсовой работе я постараюсь изложить все моменты, которые происходят в истории развития науки о свете, и показать эксперименты на моей экспериментальной установке, предназначенной специально для наблюдения за рассеиванием света. При разработке этой установки я опирался на так называемый круг Ньютона, который должен был быть подготовлен к семинару по физике и понимать «принцип действия» этого устройства.

Преломление светового луча в призме 

Проходя сквозь призму, луч солнца не только преломляется, но и разлагается на разные цвета. Рассмотрим преломление луча в призме. Строго говоря, это означает, что здесь предполагается, что луч света является монохроматическим или, как принято называть в физике, монохроматическим воющим лучом, проходящим через призму с углом преломления q и показателем преломления n; показатель преломления среды (воздуха) будет принят равным единице. 

Рассеяние света. В яркий солнечный день мы закроем окно в комнате с толстой занавеской, в которой сделаем маленькое отверстие. Через эту дыру в комнату войдет узкий солнечный луч, образовавший светлое пятно на противоположной стене. Если на пути луча поставить стеклянную призму, то пятно на стене превратится в разноцветную полосу, на которой будут изображены все цвета радуги от фиолетового до красного. 

Дисперсия света зависимость показателя преломления n вещества от частоты f (длина волны l) света или зависимость фазовой скорости световых волн от частоты. Следствием рассеивания света является разложение на спектр пучка белого света, проходящего через призму. Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию рассеяния света. Для веществ, прозрачных в этой области спектра, n увеличивается с увеличением f (уменьшая l), что соответствует распределению цветов в спектре, такая зависимость n от f называется нормальной дисперсией света.

Первые эксперименты с призмами. Понимание причин цветов до Ньютона 

Описанный опыт, на самом деле, древний. Уже в 1 веке. п. е. было известно, что крупные монокристаллы (шестиугольные призмы, созданные самой природой) обладают способностью разлагать свет на цвета. Первые исследования рассеяния света в экспериментах с треугольной стеклянной призмой были выполнены англичанином Колесницей (1560-1621). Независимо от него подобные эксперименты были проведены известным чешским натуралистом Марци (1595 1667), который установил, что у каждого цвета есть свой угол преломления. Однако до Ньютона такие наблюдения не подвергались достаточно серьезному анализу, и выводы, сделанные на их основе, не были подтверждены дополнительными экспериментами. В результате в науке того времени долгое время доминировали идеи, которые неправильно объясняли появление цветов. 

Говоря об этих идеях, следует начать с теории цвета Аристотеля (IV век до нашей эры). Аристотель утверждал, что разница в цвете определяется разницей в количестве темноты, «смешанной» с солнечным (белым) светом. Фиолетовый, согласно Аристотелю, встречается с наибольшим добавлением темноты к свету, а красный с наименьшим. Таким образом, цвета радуги являются сложными цветами, а основным является белый свет. Интересно, что появление стеклянных призм и первые эксперименты по наблюдению за разложением света призмами не вызывали сомнений в правильности теории Аристотеля о появлении цветов. И Хариот, и Марзи оставались последователями этой теории. Это не должно удивлять, так как, на первый взгляд, разложение света призмой на разные цвета, казалось бы, подтвердило идею появления цвета в результате смешения света и тьмы. Радужная полоса появляется как раз при переходе от теневой полосы к освещенной, то есть на границе темноты и белого света. Из того факта, что фиолетовый луч проходит самый длинный путь внутри призмы по сравнению с другими цветными лучами, неудивительно, что можно сделать вывод, что фиолетовый цвет возникает, когда белый свет больше всего теряет свою «белизну» при прохождении через призму. Другими словами, наибольшее смешение тьмы с белым светом происходит вдоль самого длинного пути. 

Нетрудно было доказать ложность таких выводов, поставив соответствующие эксперименты с теми же призмами. Тем не менее, никто не делал этого до Ньютона. 

Эксперименты Ньютона с призмами. Ньютоновская теория происхождения цветов 

Великий английский ученый Исаак Ньютон провел целый комплекс оптических экспериментов с призмами, подробно описав их в «Оптике», «Новой теории света и цветов», а также в «Лекциях по оптике». Ньютон убедительно доказал ложность представлений о появлении цветов из смеси тьмы и белого света. На основании своих экспериментов он смог заявить: «Никакой цвет не возникает из-за белизны и черноты, смешанных вместе, кроме как между темными; количество света не меняет внешний вид цвета. «Ньютон показал, что белый свет не является основным, его следует рассматривать как составной (по мнению Ньютона, «неоднородный»; согласно современной терминологии« немонохроматический»); основными являются разные цвета (однородные лучи или, другими словами, монохроматические лучи). Появление цветов в экспериментах с призмами является результатом разложения составного (белого) света на его основные компоненты (на разные цвета). Это разложение происходит потому, что каждый цвет имеет свою собственную степень преломления это основные выводы, сделанные Ньютоном, которые прекрасно согласуются с современными научными концепциями. 

Оптические исследования, выполненные Ньютоном, представляют большой интерес не только с точки зрения полученных результатов, но и с методологической точки зрения. Разработанная Ньютоном методика исследования призм (в частности, метод скрещенных призм) пережила века и вошла в арсенал современной физики. 

Начав оптические исследования, Ньютон поставил перед собой задачу «не объяснять свойства света гипотезами, а изложить и доказать их с помощью рассуждений и экспериментов». Проверяя ту или иную позицию, ученый обычно придумывал и проводил несколько разных экспериментов. Он подчеркнул, что необходимо использовать разные методы «для проверки того же, потому что изобилие не беспокоит того, кто его испытывает». 

Рассмотрим некоторые из наиболее интересных экспериментов Ньютона с призмами и выводы, к которым ученый пришел на основании полученных результатов. Большая группа экспериментов была посвящена проверке соответствия между цветом лучей и степенью их преломления (другими словами, между цветом и значением показателя преломления). Давайте выделим три таких опыта. 

На экране появляется вертикально вытянутая полоса CF, нижняя часть которой окрашена в красный цвет, а верхняя часть в фиолетовый. Нарисуйте карандашный контур полосы на экране. Затем мы помещаем другую подобную призму между рассматриваемой призмой и экраном, но преломляющий край второй призмы должен быть ориентирован вертикально, то есть перпендикулярно преломляющему краю первой призмы. Световой луч, выходящий из отверстия A, проходит последовательно через две скрещенные призмы. На экране появляется полоса спектра K'F, смещенная относительно контура CF вдоль оси X. В этом случае фиолетовый конец полосы смещается в большей степени, чем красный, так что полоса спектра выглядит наклонной к вертикали. Ньютон приходит к выводу: если эксперимент с одной призмой позволяет утверждать, что разные цвета соответствуют лучам с разной степенью преломления, то эксперимент со скрещенными призмами также доказывает противоположное положение лучи разных цветов имеют разные степени преломления , Действительно, луч, наиболее преломленный в первой призме, это фиолетовый луч; затем, проходя через вторую призму, этот фиолетовый луч испытывает наибольшее преломление. Обсуждая результаты эксперимента со скрещенными призмами, Ньютон отметил: «Из этого эксперимента также следует, что преломления отдельных лучей происходят по тем же законам, независимо от того, смешиваются ли они с лучами других типов, как в белом свете, или преломляется отдельно или предварительными цветами». 

Пучок солнечных лучей, покидая отверстие А, проходит через призму 1, а затем попадает в зеркало 2. Мы ориентируем зеркало так, чтобы направлять на призму 3 только ту часть лучей, которая преломляется в наибольшей степени. При преломлении в призме 3 эти лучи падают на экран в области точки B. Затем мы перемещаем зеркало 2, размещая его теперь так, чтобы оно направляло к призме 3 те лучи, которые преломляются в наименьшей степени (см. Изображение на линии) , Испытав преломление в призме 3, эти лучи попадут на экран в области точки C. Хорошо видно, что те лучи, которые преломлены в наибольшей степени в первой призме, будут наиболее сильно преломлены во второй призме. 

Все эти эксперименты позволили Ньютону сделать уверенный вывод: «Эксперименты доказывают, что лучи, преломленные поразному, имеют разные цвета; Также доказано обратное: лучи разного цвета это лучи разного преломления». 

Далее Ньютон ставит вопрос: «Можно ли изменить цвет лучей любого вида отдельно преломлением?» После завершения серии тщательно продуманных экспериментов ученый приходит к отрицательному ответу на поставленный вопрос. Давайте рассмотрим один из этих экспериментов. 

Окончательный вывод Ньютон сформулировал следующим образом: «Тип цвета и степень преломления, свойственные каждому отдельному типу лучей, не меняют ни преломление, ни отражение, ни любую другую причину, которую я мог наблюдать. Если какой либо вид лучей были хорошо отделены друг от лучей другого рода, то после этого он упорно сохранил свой цвет, несмотря на мои крайние усилия, чтобы изменить его. 

Открытие аномального рассеяния света. Эксперименты Кундта 

До второй половины 19 века считалось, что этот вывод всегда верен. Но в 1860 году французский физик Леру, измеряя показатель преломления для ряда веществ, неожиданно обнаружил, что пары йода преломляют синие лучи в меньшей степени, чем красные. Леру назвал явление обнаруженным им аномальным рассеиванием света. Если при обычной (нормальной) дисперсии показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны, то при аномальной (необычной) дисперсии показатель преломления, наоборот, увеличивается. Явление аномальной дисперсии было подробно изучено немецким физиком Кундтом в 1871-1872 гг. В то же время Кундт использовал метод скрещенных призм, который был когда-то предложен Ньютоном. 

Теперь предположим, что одна из стеклянных призм заменена полой призматической ячейкой, заполненной раствором органического соединения, называемого цианином; это призма, которую Кундт использовал в одном из своих экспериментов. Поскольку его преломляющий край ориентирован вниз, ось длин волн для луча, выходящего из этой призмы, также направлена ​​вниз (ось l на экране). Значения показателя преломления вещества, заполняющего вторую призму, нанесены вдоль перпендикулярного направления на экране (вдоль оси n). На экране наблюдается очень специфическая картина спектра, которая качественно отличается от той, которую Ньютон наблюдал в своих экспериментах. 

Последующие исследования аномального рассеяния света показали, что наиболее интересные экспериментальные результаты получены, когда, например, вместо двух скрещенных призм используются призма и интерферометр. Такая экспериментальная методика была применена известным русским физиком Д.С.Рождественским в начале 20-го века, воспроизведенный по фотографии, сделанной Д.С.Рождественским, демонстрирует явление аномальной дисперсии в парах натрия. Сделав значительные улучшения в используемой технике, ученый разработал так называемый «метод крючка», который широко используется в современной экспериментальной оптике. 

Эта призма называется призмой любви. Мы сказали, что в этой призме разложение света на цвета на практике не наблюдается из-за того, что все лучи выходят из призмы параллельно друг другу, и исходный луч имеет определенную ширину. 

Радуга

Радуга это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных каплях дождя. Однако не все точно знают, как преломление света на каплях дождя приводит к появлению в небе гигантской разноцветной дуги. Поэтому полезно более подробно остановиться на физическом объяснении этого впечатляющего оптического явления. 

Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего, обратите внимание, что радугу можно наблюдать только в направлении, противоположном Солнцу. Если вы стоите лицом к радуге, тогда Солнце будет позади. Радуга возникает, когда Солнце освещает занавес дождя. Когда дождь стихает и затем останавливается, радуга исчезает и исчезает. Эти цвета , наблюдаемые в радужной чередуется в той же последовательности , как и в спектре полученных посредством пропускания пучка солнечного света через призму. В этом случае внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашивается в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область в красный. Часто над главной радугой появляется другая (вторичная) радуга более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке, от красного (самая внутренняя область дуги) до фиолетового (самая внешняя область). 

Для наблюдателя на относительно плоской поверхности Земли появляется радуга при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает приблизительно 42 °. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и, следовательно, тем больше наблюдаемая площадь радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает приблизительно 52. 

Таким образом, положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель это вершина конуса, ось которого направлена ​​вдоль линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга это часть окружности основания этого конуса, расположенная над линией горизонта. Когда наблюдатель движется, указанный конус и, следовательно, радуга движутся соответственно; поэтому бесполезно охотиться за обещанным горшком с золотом. 

Здесь есть два объяснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем, мы имеем в виду не истинное, а наблюдаемое направление на Солнце. Отличается от истинного углом преломления. Во-вторых, когда мы говорим о радуге над горизонтом, мы имеем в виду относительно далекую радугу когда дождевая завеса находится в нескольких километрах от нас. Вы также можете наблюдать близлежащую радугу, например, радугу, которая появляется на фоне большого фонтана. В этом случае концы радуги, кажется, уходят в землю. Очевидно, что расстояние радуги от наблюдателя не влияет на ее угловые размеры. 

Экспериментальная установка для наблюдения за смешиванием цветов

Описание установки 

Светя лучом дневного света в призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После того, что он увидел, он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета, как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, светло-синий, синий и фиолетовый (каждый покупатель хочет знать, куда идет Фазон). Ньютон выбрал только семь цветов по той причине, что они были самыми яркими, он также сказал, что в музыке всего семь нот, но комбинация их, разных вариаций, позволяет получить совершенно разные мелодии.

После проведения противоположного эксперимента, т. е. он отправил полученный спектр на лицо другой призмы, и в результате эксперимента Ньютон снова получил белый свет. Основываясь на этих простых экспериментах, Ньютон предложил идею создания круга, состоящего из семи секторов и закрашенного определенными цветами, в результате вращения которых они будут смешиваться, и мы получим белую окраску этого круга. Впоследствии этот круг назывался кругом Ньютона. 

Попробуем повторить эксперимент Ньютона. Давайте возьмем кофейную банку и, предварительно обработав ее, зафиксируем в ней мотор и понижающий трансформатор. 

В результате, когда двигатель подключен к электрической розетке, семицветный круг, закрепленный на валу двигателя, начнет вращаться, и мы увидим сероватый цвет круга.

Вращающееся колесо серого цвета по двум причинам: 

1. скорость вращения круга очень низкая по сравнению со скоростью света;
2. круг окрашен с резкими цветными переходами по сравнению со спектром разложения белого света.

Заключение

В заключение хочу сказать, что, в общем, поставленная цель изучения, более глубокое понимание такого явления, как рассеивание света, была достигнута в итоге. Для достижения этой цели мне пришлось постараться. Теперь, увидев радугу или ореол, мы можем не только восхищаться этим прекрасным явлением, но и объяснять причину их появления на «физическом» языке, а не просто поверхностное понимание.

Чтобы лучше понять такое свойство света, как рассеивание, была изучена дополнительная литература по световым явлениям, создан круг Ньютона, а также установка для вращения этого круга с определенной скоростью. В результате экспериментов и экспериментов в данной работе были выявлены два типа дисперсии (нормальная и аномальная) и явление смешения цветов, рассмотрены основные причины появления радуги.

Таким образом, благодаря теоретическому изучению этой темы и ее практическому подтверждению основная цель была достигнута.