Дисперсия света используется для. Дисперсия света, цвет и человек

Cтраница 1


Явление дисперсии в различных оптических системах играет как положительную, так и отрицательную роль. В линзах фотоаппаратов, микроскопов и телескопов дисперсия света вызывает хроматическую аберрацию и сильно ухудшает изображение; с ней приходится бороться.  

Явление дисперсии всегда сопровождает резонансное поглощение энергии СВЧ-поля - в действительности дисперсия сопутствует поглощению в любой области спектра.  

Явление дисперсии зависит от термической обработки звуко-провода. Исключительно важной операцией при обработке никелевых звукопроводов является отжиг в течение 15 - 30 мин при температуре 800 - 900е С.  

Явление дисперсии состоит в изменении скорости распространения звука при изменении его частоты. Некоторые из степеней свободы молекул возбуждаются медленнее других, поэтому теплоемкость газа может зависеть от скорости его нагревания. Если же в газе происходит распространение звука, то, при небольшой частоте колебания, за время прохождения звуковой волны все степени свободы молекул успевают возбудиться. Устанавливается равновесие, при котором теплоемкость газа имеет максимальное значение. Если частота звука велика, то за время прохождения звуковой волны не все степени свободы успевают возбудиться.  

Явление дисперсии наблюдается также для электронной и атомной поляризации. В области частот, соответствующих ИК-излуче-нию, исчезает атомная поляризация, а в области видимого и УФ - излучения - электронная.  

Явления дисперсии света, так же как и явления интерференции и дифракции в немонохроматическом свете, доказывают, что монохроматическая электромагнитная волна с определенной частотой (или длиной волны в вакууме), принадлежащая к диапазону видимых световых волн (IV. Строго монохроматический свет принципиально существовать не может. Это связано с процессами испускания света.  

Явления дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма известны давно. Зависимость величины угла вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через слой вещества, от длины волны света (дисперсия оптического вращения) была установлена еще в 1811 г. Араго. Явление избирательного поглощения веществом компоненты циркулярно поляризованного света, круговой дихроизм, было открыто Хай-дингером в 1847 г. На протяжении более чем 100 лет эти явления мало использовались в органической химии.  

На основе явления дисперсии построены все призменные спектральные приборы. Диспергирующим элементом таких приборов является одна или несколько призм.  

Опытное изучение явления дисперсии света впервые осуществил Ньютон в 1666 г., пропуская белый свет через призму. Следовательно, наиболее отклоняющиеся фиолетовые лучи обладают меньшей скоростью распространения в стекле, чем менее отклоняющиеся красные.  

Если в явлении дисперсии участвуют частицы (ионы) с разными массами и зарядами, то е и т тоже будут обеспечены индексами и будут входить под знак суммы.  

Одним из результатов взаимодействия света с веществом является его дисперсия.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волн λ) света или зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты .

Дисперсия света представляется в виде зависимости:

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму (рис. 10.1). Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света проводил в 1672 г. И. Ньютон. Он объяснил это явление различием масс корпускул.

Рассмотрим дисперсию света в призме. Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом А и показателем преломления n (рис. 10.2) под углом .

Рис. 10.1 Рис. 10.2

После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается преломлен от первоначального направления на угол φ. Из рис. следует, что

Предположим, что углы А и малы, тогда углы , , будут также малы и вместо синусов этих углов можно воспользоваться их значениями. Поэтому , , а т.к. , то или .

Отсюда следует, что

, (10.1.1)

т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы .

Из выражения (10.1.1) вытекает, что угол отклонения лучей призмой зависит от показателя преломления n , а n – функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы отклоняются на разные углы . Пучок белого света за призмой разлагается в спектр, который называется дисперсионным или призматическим , что и наблюдал Ньютон. Таким образом, с помощью призмы, так же как с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

Рассмотрим различия в дифракционном и призматическом спектрах.

· Дифракционная решетка разлагает свет непосредственно по длинам волн , поэтому по измеренным углам (по направлениям соответствующих максимумов) можно вычислить длину волны (частоты). Разложение света в спектр в призме происходит по значениям показателя преломления, поэтому для определения частоты или длины волны света надо знать зависимость или .

· Составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно . Мы знаем, что синус угла в дифракционной решетке пропорционален длине волны . Следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются дифракционной решеткой сильнее . Призма же разлагает лучи света в спектре по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ с увеличением длины волны (т.е. с уменьшением частоты) уменьшается (рис. 10.3).

Поэтому, красные лучи отклоняются призмой слабее, в отличие от дифракционной решетки.

Величина (или ), называемая дисперсией вещества , показывает, как быстро меняется показатель преломления с длиной волны .

Из рис. 10.3 следует, что показатель преломления для прозрачных веществ с увеличением длины волны увеличивается, следовательно величина по модулю также увеличивается с уменьшением λ.Такая дисперсия называется нормальной . Вблизи линий и полос поглощения, ход кривой дисперсии будет иным, а именно n уменьшается с уменьшением λ. Такой ход зависимости n от λ называется аномальной дисперсией . Рассмотрим подробнее эти виды дисперсии.

МОУ Алексеевская средняя общеобразовательная школа

Тема работы

«Дисперсия света, цвет и человек»

Вид работы – проблемно-реферативная

Учитель физики 1 квалификационной категории

Стекольников Всилий Георгиевич

2010 год

Введение ………………………………………………………….. 3

1. Дисперсия света ……………………………………………………4

2. Немного из истории цвета ………………………………………….5

3. Влияние цвета на человека………………………………………….7

4. Какого цвета ваш характер? ..............................................................8

5. Цвет и звук …………………………………………………………..9

6. Лечебное воздействие цвета ………………………………………..11

7. Группа крови и цвет …………………………………………………12

8. Цвет автомобиля и ДТП на дороге………………………………… 13

учебных кабинетов ………………………………………………….14

10. Заключение …………………………………………………………15

11. Список использованной литературы …………………………….. 16

Введение

В данной работе поставлены следующие задачи:

Раскрыть интересные факты о том, как цвет влияет на характер человека, какое лечебное воздействие оказывает цвет, какова связь между цветом и звуком, фантастические на первый взгляд перспективы «цветного озвучивания» космоса, какова связь между группой крови человека и цветом, о том, какая интересная зависимость существует между человеком и цветом. Немного затрагиваются малоисследованные наукой факты существования биополя человека и любого предмета, их взаимовлияние друг на друга. Также факт умелого использования великих художников и композиторов влияния цветового оформления картин и произведений для их лучшего восприятия человеком на подсознательном уровне через цвет.

Показать влияние цветового оформления учебных кабинетов, школьных коридоров, спортзалов и мастерских на успешное обучение учащихся, на их психическое состояние, а в зависимости от этого и здоровье.

1. Дисперсия света

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекавшие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Радужную окраску изображения, даваемое линзой, наблюдали, конечно, и до него. Было замечено, также, что радужные имеют предметы, рассматриваемые через призму, Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image002_36.jpg" width="124" height="112">
И. Ньютон () Опыт Ньютона Дисперсия света

Основной опыт Ньютона был гениально прост. Он догадался направить на призму световой луч малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в стене. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из 7 цветов, Ньютон тоже выделил 7 цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image005_27.jpg" align="left" width="150" height="100 src=">

Виды спектров

Важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: «Световые лучи, отличающие по цвету, отличаются по степени преломляемости». Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других-красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией .

2. Немного из истории цвета

В Англии был такой случай. На своего соседа пожаловались в суд жители домов, расположенных напротив. Дело в том, что, ядрено-канареечный цвет, в который англичанин выкрасил фасад своего дома, и черные рамы вызывали у местных жителей головную боль. По предписанию суда владелец яркого особняка вынужден был его перекрасить.

Колл" href="/text/category/koll/" rel="bookmark">коллег российские текстильные фабрики в 90-х годах, производили в основном ткани трех мрачных цветов; серого, коричневого и черного. По мнению, психологов такая цветовая гамма построена на оттенках разрушения. Полюбившимся постперестроечным россиянам сложные цвета жухлой осени, прошлогодних листьев и увядания, психологи называют грязноватистыми, тухлыми и нездоровыми.

Развитие цвета связано со 100-летним циклом, утверждает кандидат наук, один из первых российских ученых-колористов, преподаватель столичной Текстильной академии Светлана Жученкова. Концу столетия, как правило соответствуют сложные цвета; сиреневый, болотно-зеленый, серо-синий, а также бледные и нежные цвета. Простые цвета; белый, черный, красный и желтый-более характерны для начала века.

В тоже время нельзя не считаться с национальной психологией. Так, например, если в Америке мужчина идет устраиваться на работу в коричневом костюме, то он вряд ли получит это место. Французы предпочитают острые тона и любят контрасты, итальянцы - более мягкие цвета. Азия тяготеет к желтому, голубому и немного вульгарному, рыжему, прибалты - к зеленому и коричневому. Москва отличается пестрой гаммой, а Санкт-Петербург - «эстетствующей».

https://pandia.ru/text/78/320/images/image009_25.jpg" width="109" height="150">

В свое время Сталин, последовав примеру Наполеона, создавшего вычурный и помпезный цветовой стиль для увековечивания в архитектуре и живописи пышности своих побед, требовал строить порталы и арки в величественном стиле Наполеона, демонстрируя обликом страны собственное величие. С цветовой гаммой вождь народов обошелся более сурово. Из 160 цветов, каждый из которых в царской Росси имел свое название, сохранилось лишь несколько десятков. Послереволюционные цвета в истории колористики России вообще отсутствуют как жанр. В сталинскую эпоху существовали ограниченные цвета. В 40-50-ые годы страну одели в серо-стальные и зеленые тона, в 60-ые использовались цвета повышения производительности труда. В 70-ые были разработаны флюоросцентные красители. По некоторым данным, почти все разработчики этих ядовитых цветов умерли от рака.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image011_20.jpg" align="left" width="106" height="136 src=">

3. Влияние цвета на человека.

Между человеком и цветом существуют странные и непростые отношения. По мнению ученых, цвет это не просто элемент эстетики и культуры, а скорее сложная психическая субстанция, демонстрирующая настроение человека, состояние его психического здоровья и даже способная влиять на него.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image014_16.jpg" width="276" height="360 src=">

Красный цвет активизирует мышечную силу. Психологи утверждают, что, если на тяжелоатлета надеть красные очки, он «возьмет» больший вес, чем без них. В то же время, находясь в окружении «красного», человек постарается быстрее из него выбраться. Красные телефонные будки были рассчитаны на большую проходимость. Почти также реагируют на этот цвет и дети. Ребенок, спящий лицом к стене с красными обоями, более раздражителен и неспокоен.

Фиолетовый цвет мог бы заменить наркоманам галлюциноген. Если человека посадить в комнату, где все: потолок, пол, стены, окна и двери будут выкрашены в фиолетовый цвет, то у него начнутся галлюцинации.

Синий цвет способствует размышлениям, успокаивает и снижает давление.

Голубой цвет настраивает на меланхолию.

Белый цвет создает ощущение нереальности.

Черный цвет самый сложный с одной стороны, мистический, символизирующий посвященность во что-то недоступное остальным, с другой стороны - официальный.

Влияние на человека

Раздражает, возбуждает

Фиолетовый

Вызывает галлюцинации

Успокаивает, снижает давление

Настраивает на меланхолию

Создает ощущение нереальности

Мистический

4. Какого цвета ваш характер?

Психологи утверждают, что характер человека можно определить по его цветовым вкусам. К таким выводам, кстати, пришел швейцарский ученый М. Люмар. Он считает, что если вам нравится красный цвет, то основные ваши черты-сильная воля, быстрое принятие решений. Предпочтение желтого цвета говорит о том, что вы оптимист и идеалист. Вам нравиться все новое, неожиданное, необычное и сенсационное.

Если вам нравиться оранжевый цвет, то вы склонны легко воспринимать удачи и неудачи, у вас достаточно воли для принятия решений. Вы сильны физически и психически.

Если вам нравиться зеленый цвет, то вы самоуверенны и критически настроенная личность. Вы основательны, консервативны, знаете себе цену. Вы почти идеальны в семейной жизни.

Если вас привлекает голубой или синий цвет, то вы человек несильного характера, эмоциональны и добродушны, с богатой внутренней жизнью.

Если же вам нравиться фиолетовый цвет, то вы скорее интуитивист, чем логик.

Основные черты характера

Сильная воля, решительность

Оптимист, идеалист

Оранжевый

Вы сильная личность

Вы самоуверенны, консервативны, идеальны в семейной жизни

Слабохарактерны, эмоциональны, добродушны

Фиолетовый

Вы интуитивист, чем логик

5. Цвет и звук

Связь между цветом и звуком наиболее ярко выражена в явлении цветомузыки. Цветомузыка была близка композитору, который предпочитал создавать свои произведения в определенной для данного цвета тональности. Музыка цвета была одним из основных элементов и во многих картинах художника. Масштабного осуществления цветомузыкального воздействия впервые удалось композитору в симфонической поэме «Прометей» («Поэма огня», 1910г.) Для усиления воздействия музыки он ввел в состав оркестра орган, колокола, использовал звучание хора без слов и специальное освещение («партии цвета»).

Картины Рериха:

https://pandia.ru/text/78/320/images/image016_19.jpg" width="128" height="128">

Восприятие человеком музыкальных произведений одновременно с определенной цветовой гаммой света существенно влияет на впечатление от использования этих произведений. В первую очередь потому, что чувствительности глаза и уха взаимосвязаны. Так, чувствительность глаза к зелено-голубым лучам видимого спектра под влиянием звуков и шумов заметно повышается, а к оранжево-красным понижается; чувствительность же нашего слухового аппарата с повышением интенсивности освещения уменьшается. Влияет и то, что быстрее всего человек воспринимает предметы красного цвета и медленнее всего, предметы фиолетовой окраски. И поскольку мир в красках всегда воспринимается человеком острее и глубже, чем серый фон, автор музыки имеет возможность использовать особенности цветового зрения человека для усиления воздействия на него музыки.

Медики давно уже установили, что мажорная музыка ускоряет выделение в организме пищеварительных соков, оказывает возбуждающее действие на человеческий организм, главным образом ускоряет ритмы дыхания и сердцебиения. Его воздействие усиливается, если использовать в окраске помещений и предметов, оранжево-красные тона. Мелодичная музыка вызывает у человека замедление дыхания; на восприятии тихих, невозбуждающих у человека тревоги звуков основана музыкальная терапия. Ее эффективность повышается, если она проводится в помещении, где преобладают сине-зеленые тона окраски.

Это не случайно. В психологическом плане красные цвета возбуждают и настораживают человека-это цвет огня и крови, и в исторически сложившихся у человека представлениях они служат предвестниками беды. Сине-зеленые тона - это цвета свежей растительности и ясного неба; они обычно не связаны с опасностью. Таким образом, цвет влияет на психофизиологическое состояние человека, на восприятие им различных явлений, в том числе и музыки.

Наблюдается и обратный процесс. У большинства любящих музыку людей при сопоставлении мажорных и минорных мелодий возникает ощущение светотени, ибо мажор отождествляется со «светлым» ладом, а минор - с «темным». Это имеет место например, при восприятии картины рассвета во вступлении к опере «Хованщина» и картины ночного неба во вступлении к опере «Ночь перед Рождеством» -Корсакова.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image019_14.jpg" width="150" height="112">

Кроме «многоцветья», сопровождающего звучание музыки, ее диапазон воздействия может расширить и использование в оркестрах музыкальных инструментов с особым звуковым спектром –как старых, но не нашедших широкого применения (например, изобретенного терменвокса), так и новых.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image021_13.jpg" width="143" height="107">

При этом возможен такой фантастический путь: создать особый музыкальный инструмент и музыку необычайного звучания, перекодировав излучение с их богатой и оригинальной цветовой гаммой в звуковой спектр. Несмотря на кажущуюся утопичность идеи, такую работу проделали сотрудники Парижской астрономической обсерватории, которые с помощью электроакустической техники перевели в звуковые частоты свет отдельных звезд. В результате небесный свод «заговорил» с людьми на языке звуков. О восприятии «музыки небесных сфер» мечтал еще Пифагор. Ныне его мечта осуществилась, но иным путем, чем он предполагал, (не за счет механического движения небесных тел по их орбитам).

6. Лечебное воздействие цвета

Давно доказано, что каждый человек имеет свое биополе . Но как подтвердили специальные научные исследования, наличие биополя характерна и для произведений искусств; картин, скульптур. Более того, в ходе эксперимента удалось доказать, что через это биополе они могут воздействовать на наше здоровье в некоторых случаях сильнее, чем лекарства. Подбором произведения и цветовой гаммы можно нормализовать давление, успокоить нервную систему, уменьшить боль, снять стресс. При регулярном лечении художественными произведениями отмечены хорошие результаты при неврозах, болезнях сердца, печени, щитовидной железы, желчного пузыря и кишечника. Кроме этого человек получает сильный психоэмоциональный импульс, который способствует общему оздоровлению организма.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image024_11.jpg" width="92" height="180">

Лечебное воздействие цвета связано с влиянием колебаний волны определенной длины на наши органы и психические центры, причем действие разных цветов оказывает специфическое влияние при определенных заболеваниях.

Красный цвет помогает при вирусных заболеваниях, язвах желудка, анемии , гипотонии, стимулирует иммунитет, деятельность желез внутренней секреции и обмен веществ, укрепляет память, придает бодрость и энергию.

Розовый цвет оказывает седативное воздействие на нервную систему, улучшает настроение.

Оранжевый цвет улучшает процессы пищеварения, регенерации, помогает при заболеваниях селезенки и легких, усиливает кровообращение.

Желтый цвет эффективен при атонических запорах, бессоннице , кожных заболеваниях. Он возбуждает аппетит, оказывает очищающее действие на весь организм, стимулирует зрение и работу печени, тонизирует нервную систему. Его принято считать физиологически оптимальным цветом.

Зеленый цвет нормализует сердечную деятельность, стабилизирует артериальное давление, уменьшает головные боли, боли при заболеваниях позвоночника, помогает при острых простудных заболеваниях, улучшает обмен веществ и работоспособность.

Голубой цвет используют при заболеваниях глаз, печени, гортани, позвоночника. Он снижает аппетит и спазмы кишечника, нормализует сердечную деятельность.

Синий цвет влияет на щитовидную железу, помогает при заболеваниях почек и мочевого пузыря, легких, глаз, лечит бессонницу, психические болезни, желтуху, кожные заболевания.

Фиолетовый цвет -цвет духовности и творчества. Он оказывает успокаивающее действие на нервную систему, помогает при психических расстройствах, невралгии, сотрясениях мозга. Этот цвет рекомендуют при заболеваниях почек, печени, мочевого и желчного пузыря, при различных воспалительных процессах. Отмечено также его позитивное воздействие на сосудистую систему.

7. Группа крови и цвет

Ученые установили, что между группой крови человека и цветом, также существует тесная связь.

1-ая группа крови. Наиболее благоприятны красный, оранжевый и пурпурный тона.

3-яя группа. Более широкий выбор. Красный и оранжевый цвета стимулируют процессы жизнедеятельности и усиливают умственную деятельность. Голубой и зеленый тона успокоят нервы, а фиолетовый тон будет способствовать создания настроения для раздумий и воспоминаний.

4-ая группа. Люди с такой группой крови сходны по своим энергетическим характеристикам со второй, следует чаще соприкасаться чаще с голубым и зеленым цветом.

Группа крови

Благоприятный цвет

Красный, оранжевый, пурпурный

Голубой, зеленый

Красный, оранжевый, голубой, зеленый, фиолетовый

Голубой, зеленый

8. Цвет автомобиля и ДТП на дороге

По официальным данным, автомобили серебристого цвета на 50% реже попадают в серьезные ДТП, чем автомобили других цветов. Автомобили белого, желтого, серого, красного и синего цвета имеют примерно одинаковый уровень риска. Особенной опасности подвергаются те водители, которые садятся за руль черных, коричневых и зеленых автомобилей, потому что их риск попасть в аварию и получить серьезные травмы повышаются в 2 раза.

https://pandia.ru/text/78/320/images/image026_10.jpg" align="left" width="335" height="209 src=">Самый «опасный» автомобиль по вероятности попадания в ДТП.

Риск увеличивается в 2 раза.

Цветопсихологические исследования показали, что дети отдают предпочтение тому или иному цвету в зависимости от возраста.

В раннем возрасте они предпочитают красный или пурпурный цвет, причем девочки розовый цвет.

В возрасте 9-11 лет интерес к красному цвету постепенно заменяется интересом к оранжевому, затем к желтому, желто-зеленому, а затем к зеленому.

После 12 лет любимый цвет синий.

Классные доски необходимо окрашивать в темно-зеленый или в темно-синий цвет. Не следует на стене, где висит доска, создавать цветовой контраст, чтобы не утомлять зрение учащихся. Передняя стена во многих случаях может быть окрашена в цвет, более интенсивный по сравнению с задней и боковыми стенами.

В подготовительном и первом классе можно рекомендовать интенсивные чистые красные тона.

Для второклассников красный цвет можно постепенно заменять оранжево-красным или оранжевым, для 10-11 летних детей - желтым, желто-зеленым, а затем зеленым.

Для детей переходного возраста начинает играть определенную роль синий цвет, но обязательно в сочетании с оранжевым, так как класс с большим количеством синевого цвета создает «холодное» впечатление.

В классах, где занимаются ручным трудом, следует применять голубой цвет. Этим же цветом следует окрашивать музыкальный класс. В спортивном зале лучше применять голубой и светло-зеленые цвета.

Залы и коридоры могут быть окрашены в светло-синий и желтый цвета

Предпочитаемые цвета

Цвет, вызывающий отрицательное отношение

Преобладающее психологическое настроение

Красный, пурпурный, розовый, бирюзовый

Черный, темно-коричневый, серый

Пребывание в мире сказок

Зеленый, желтый, красный

Оливковый, пастельно-зеленый, лиловый

Преобладание чувственного восприятия мира

Ультрамарин, оранжевый, зеленый

Фиолетовый, лиловый

Рациональный подход к восприятию мира, развитие самосознания

Красно-оранжевый

Пурпурный, розовый

Инстинктивно-целенаправленное восприятие мира

10. Заключение

Данная работа призвана показать, какое большое значение имеет знания о влиянии цвета на человеческий организм, на здоровье, на психическое и физическое состояние, на эффективное восприятие художественных и музыкальных произведений. Да и жизнь и безопасность человека напрямую связана, например, с цветом автомобиля, что конечно необходимо учитывать. Вместе с тем, это направление в физике является малоизученной, например, биополе человека и предметов. Или «малоосвещенной» в научной и учебной литературе . Это направление в физике имеет большие перспективы для дальнейшего изучения.

12. Список использованной литературы

1. , Справочник по физике, 2005 год

1.Соросовский научно-образовательный журнал, 2005 год, 2006 год

2. Журнал «Физика в школе», 2005 год

Дисперсия света - это зависимость показателя преломления n вещества от длины волны света (в вакууме)

или, что то же самое, зависимость фазовой скорости световых волн от частоты:

Дисперсией вещества называется производная от n по

Дисперсия - зависимость показателя преломления вещества от частоты волны – особенно ярко и красиво проявляет себя совместно с эффектом двойного лучепреломления (см. Видео 6.6 в предыдущем параграфе), наблюдаемом при прохождении света через анизотропные вещества. Дело в том, что показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн различно зависят от частоты волны. В результате цвет (частота) света прошедшего через анизотропное вещество помещенное между двумя поляризаторами зависит как от толщины слоя этого вещества, так и от угла между плоскостями пропускания поляризаторов.

Для всех прозрачных бесцветных веществ в видимой части спектра с уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается, то есть дисперсия вещества отрицательна: . (рис. 6.7, области 1-2, 3-4)

Если вещество поглощает свет в каком-то диапазоне длин волн (частот), то в области поглощения дисперсия

оказывается положительной и называется аномальной (рис. 6.7, область 2–3).

Рис. 6.7. Зависимость квадрата показателя преломления (сплошная кривая) и коэффициента поглощения света веществом
(штриховая кривая) от длины волны l вблизи одной из полос поглощения ()

Изучением нормальной дисперсии занимался ещё Ньютон. Разложение белого света в спектр при прохождении сквозь призму является следствием дисперсии света. При прохождении пучка белого света через стеклянную призму на экране возникает разноцветный спектр (рис. 6.8).


Рис. 6.8. Прохождение белого света через призму: вследствие различия значений показателя преломления стекла для разных
длин волн пучок разлагается на монохроматические составляющие - на экране возникает спектр

Наибольшую длину волны и наименьший показатель преломления имеет красный свет, поэтому красные лучи отклоняются призмой меньше других. Рядом с ними будут лучи оранжевого, потом желтого, зеленого, голубого, синего и, наконец, фиолетового света. Произошло разложение падающего на призму сложного белого света на монохроматические составляющие (спектр).

Ярким примером дисперсии является радуга. Радуга наблюдается, если солнце находится за спиной наблюдателя. Красные и фиолетовые лучи преломляются сферическими капельками воды и отражаются от их внутренней поверхности. Красные лучи преломляются меньше и попадают в глаз наблюдателя от капелек, находящихся на большей высоте. Поэтому верхняя полоса радуги всегда оказывается красной (рис. 26.8).


Рис. 6.9. Возникновение радуги

Используя законы отражения и преломления света, можно рассчитать ход световых лучей при полном отражении и дисперсии в дождевых каплях. Оказывается, что лучи рассеиваются с наибольшей интенсивностью в направлении, образующем угол около 42° с направлением солнечных лучей (рис. 6.10).


Рис. 6.10. Расположение радуги

Геометрическое место таких точек представляет собой окружность с центром в точке 0. Часть ее скрыта от наблюдателя Р под горизонтом, дуга над горизонтом и есть видимая радуга. Возможно также двойное отражение лучей в дождевых каплях, приводящее к радуге второго порядка, яркость которой, естественно, меньше яркости основной радуги. Для нее теория дает угол 51 °, то есть радуга второго порядка лежит вне основной. В ней порядок цветов заменен на обратный: внешняя дуга окрашена в фиолетовый цвет, а нижняя - в красный. Радуги третьего и высших порядков наблюдаются редко.

Элементарная теория дисперсии. Зависимость показателя преломления вещества от длины электромагнитной волны (частоты) объясняется на основе теории вынужденных колебаний. Строго говоря, движение электронов в атоме (молекуле) подчиняется законам квантовой механики. Однако для качественного понимания оптических явлений можно ограничиться представлением об электронах, связанных в атоме (молекуле) упругой силой. При отклонении от равновесного положения такие электроны начинают колебаться, постепенно теряя энергию на излучение электромагнитных волн или передавая свою энергию узлам решетки и нагревая вещество. В результате этого колебания будут затухающими.

При прохождении через вещество электромагнитная волна воздействует на каждый электрон с силой Лоренца:

где v - скорость колеблющегося электрона. В электромагнитной волне отношение напряженностей магнитного и электрического полей равно

Поэтому нетрудно оценить отношение электрической и магнитной сил, действующих на электрон:

Электроны в веществе движутся со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме:

где - амплитуда напряженности электрического поля в световой волне, - фаза волны, определяемая положением рассматриваемого электрона. Для упрощения вычислений пренебрежем затуханием и запишем уравнение движения электрона в виде

где, - собственная частота колебаний электрона в атоме. Решение такого дифференциального неоднородного уравнения мы уже рассматривали ранее и получили

Следовательно, смещение электрона из положения равновесия пропорционально напряженности электрического поля. Смещениями ядер из положения равновесия можно пренебречь, так как массы ядер весьма велики по сравнению с массой электрона.

Атом со смещенным электроном приобретает дипольный момент

(для простоты положим пока, что в атоме имеется только один «оптический» электрон, смещение которого вносит определяющий вклад в поляризацию). Если в единице объема содержится N атомов, то поляризованность среды (дипольный момент единицы объема) можно записать в виде

В реальных средах возможны разные типы колебаний зарядов (групп электронов или ионов), вносящих вклад в поляризацию. Эти типы колебаний могут иметь разные величины заряда е i и массы т i , а также различные собственные частоты (мы будем обозначать их индексом k), при этом число атомов в единице объема с данным типом колебаний N k пропорционально концентрации атомов N:

Безразмерный коэффициент пропорциональности f k характеризует эффективный вклад каждого типа колебаний в общую величину поляризации среды:

С другой стороны, как известно,

где - диэлектрическая восприимчивость вещества, которая связана с диэлектрической проницаемостью e соотношением

В результате получаем выражение для квадрата показателя преломления вещества:

Вблизи каждой из собственных частот функция , определяемая формулой (6.24), терпит разрыв. Такое поведение показателя преломления обусловлено тем, что мы пренебрегли затуханием. Аналогично, как мы видели ранее, пренебрежение затуханием приводит к бесконечному росту амплитуды вынужденных колебаний при резонансе. Учет затухания избавляет нас от бесконечностей, и функция имеет вид, изображенный на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Зависимость диэлектрической проницаемости среды от частоты электромагнитной волны

Учитывая связь частоты с длиной электромагнитной волны в вакууме

можно получить зависимость показателя преломления вещества п от длины волны в области нормальной дисперсии (участки 1–2 и 3–4 на рис. 6.7):

Длины волн, соответствующие собственным частотам колебаний , - постоянные коэффициенты.

В области аномальной дисперсии () частота внешнего электро­маг­нитного поля близка к одной из собственных частот колебаний молекулярных диполей, то есть возникает резонанс. Именно в этих областях (например, участок 2–3 на рис. 6.7) наблюдается существенное поглощение электромагнитных волн; коэффициент поглощения света веществом показан штриховой линией на рис. 6.7.

Понятие о групповой скорости. С явлением дисперсии тесно связано понятие о групповой скорости. При распространении в среде с дисперсией реальных электромагнитных импульсов, например известных нам цугов волн, испускаемых отдельными атомными излучателями, происходит их «расплывание» - расширение протяженности в пространстве и длительности во времени. Это связано с тем, что такие импульсы представляют собой не монохроматическую синусоидальную волну, а так называемый волновой пакет, или группу волн - совокупность гармонических составляющих с разными частотами и с разными амплитудами, каждая из которых распространяется в среде со своей фазовой скоростью (6.13).

Если бы волновой пакет распространялся в вакууме, то его форма и пространственно-временная протяженность оставались бы неизменными, а скоростью распространения такого цуга волн была бы фазовая скорость света в вакууме

Из-за наличия дисперсии зависимость частоты электромагнитной волны от волнового числа k становится нелинейной, и скорость распространения цуга волн в среде, то есть скорость переноса энергии, определяется производной

где - волновое число для «центральной» волны в цуге (обладающей наибольшей амплитудой).

Мы не будем выводить эту формулу в общем виде, но на частном примере поясним ее физический смысл. В качестве модели волнового пакета примем сигнал, состоящий из двух плоских волн, распространяющихся в одном направлении с одинаковыми амплитудами и начальными фазами , но различающихся частотами, сдвинутыми относительно «центральной» частоты на небольшую величину . Соответствующие волновые числа сдвинуты относительно «центрального» волнового числа на небольшую величину . Эти волны описываются выражениями.

Окружающий мир наполнен миллионами разнообразных оттенков. Благодаря свойствам света каждый предмет и объект вокруг нас имеет определенный цвет, воспринимаемый человеческим зрением. Изучение световых волн и их характеристик позволило людям глубже взглянуть на природу света и явления, связанные с ним. Сегодня поговорим о дисперсии.

Природа света

С физической точки зрения свет представляет собой сочетание электромагнитных волн с разными значениями длины и частоты. Глаз человека воспринимает не любой свет, а только лишь тот, длина волн которого колеблется от 380 до 760 нм. Остальные разновидности остаются для нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Знаменитый ученый Исаак Ньютон представлял свет как направленный поток самых мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. Это подтверждается всем известным явлением фотоэффекта. Выходит, что световой поток имеет двоякую природу.

Цветовой спектр

Белый свет, доступный для человеческого зрения, - это совокупность нескольких волн, любая из которых характеризуется определенной частотой и собственной энергией фотонов. В соответствии с этим его можно разложить на волны разного цвета. Каждая из них носит название монохроматической, а определенному цвету соответствует свой диапазон длины, частоты волн и энергии фотонов. Другими словами, энергия, излучаемая веществом (или поглощаемая), распределяется по вышеназванным показателям. Это объясняет существование светового спектра. Например, зеленый цвет спектра соответствует частоте, находящейся в диапазоне от 530 до 600 ТГц, а фиолетовый - от 680 до 790 ТГц.

Каждый из нас когда-нибудь видел, как переливаются лучи на граненых изделиях из стекла или, например, на бриллиантах. Наблюдать это можно благодаря такому явлению, как дисперсия света. Это эффект, отражающий зависимость показателя преломления предмета (вещества, среды) от длины (частоты) световой волны, которая проходит через этот предмет. Следствием такой зависимости является разложение луча на цветовой спектр, например, при прохождении через призму. Дисперсия света выражается следующим равенством:

где n - показатель преломления, ƛ - частота, а ƒ - длина волны. Показатель преломления увеличивается с ростом частоты и уменьшением длины волны. Дисперсию мы нередко наблюдаем в природе. Самым красивым ее проявлением является радуга, которая образуется благодаря рассеиванию солнечных лучей при прохождении их через многочисленные капли дождя.

Первые шаги на пути к открытию дисперсии

Как было сказано выше, световой поток при прохождении через призму разлагается на цветовой спектр, который Исаак Ньютон достаточно детально изучил в свое время. Результатом его исследований стало открытие явления дисперсии в 1672 году. Научный интерес к свойствам света появился еще до нашей эры. Знаменитый Аристотель уже тогда заметил, что солнечный свет может иметь разные оттенки. Ученый утверждал, что характер цвета зависит от «количества темноты», присутствующей в белом свете. Если ее много, то возникает фиолетовый цвет, а если мало, то красный. Великий мыслитель также говорил о том, что основным цветом световых лучей является белый.

Исследования предшественников Ньютона

Аристотелевскую теорию взаимодействия темноты и света не опровергли и ученые 16-17 веков. И чешский исследователь Марци, и английский физик Хариот независимо друг от друга проводили опыты с призмой и были твердо уверены в том, что причиной появления разных оттенков спектра является именно смешивание светового потока с темнотой при прохождении его через призму. На первый взгляд, выводы ученых можно было назвать логичными. Но их эксперименты были достаточно поверхностными, и они не смогли подкрепить их дополнительными исследованиями. Так было, пока за дело не взялся Исаак Ньютон.

Открытие Ньютона

Благодаря пытливому уму этого выдающегося ученого было доказано, что белый свет не является основным, и что остальные цвета возникают вовсе не в результате взаимодействия света и темноты в разных соотношениях. Ньютон опроверг эти убеждения и показал, что белый свет является составным по своей структуре, его образуют все цвета светового спектра, называемые монохроматическими. В результате прохождения светового пучка через призму разнообразие цветов образуется из-за разложения белого света на составляющие его волновые потоки. Такие волны с разной частотой и длиной преломляются в среде по-разному, образуя определенный цвет. Ньютон поставил опыты, которые до сих пор используются в физике. Например, эксперименты со скрещенными призмами, с использованием двух призм и зеркала, а также пропускание света через призмы и перфорированный экран. Теперь нам известно, что разложение света на цветовой спектр происходит вследствие различной скорости прохождения волн с разной длиной и частотой сквозь прозрачное вещество. В результате одни волны выходят из призмы раньше, другие - чуть позже, третьи - еще позже и так далее. Так и происходит разложение светового потока.

Аномальная дисперсия

В дальнейшем ученые-физики позапрошлого столетия сделали очередное открытие, касающееся дисперсии. Француз Леру обнаружил, что в некоторых средах (в частности, в парах йода) зависимость, выражающая явление дисперсии, нарушается. За изучение этого вопроса взялся живший в Германии физик Кундт. Для своего исследования он позаимствовал один из методов Ньютона, а именно опыт с использованием двух скрещенных призм. Разница состояла лишь в том, что вместо одной из них Кундт применял призматический сосуд с раствором цианина. Оказалось, что показатель преломления при прохождении света через такие призмы увеличивается, а не уменьшается, как это происходило в экспериментах Ньютона с обычными призмами. Немецкий ученый выяснил, что этот парадокс наблюдается вследствие такого явления, как поглощение света веществом. В описанном опыте Кундта поглощающей средой выступал раствор цианина, а дисперсия света для таких случаев была названа аномальной. В современной физике такой термин практически не используют. На сегодняшний день открытую Ньютоном нормальную и обнаруженную позже аномальную дисперсию рассматривают как два явления, относящихся к одному учению и имеющих общую природу.

Низкодисперсные линзы

В фототехнике дисперсия света считается нежелательным явлением. Она становится причиной так называемой хроматической аберрации, при которой на изображениях появляется искажение цветов. Оттенки фотографии при этом не соответствуют оттенкам снимаемого объекта. Особенно неприятным такой эффект становится для фотографов-профессионалов. Из-за дисперсии на фотоснимках не только происходит искажение цветов, но и нередко наблюдается размытие краев или, наоборот, появление чересчур очерченной каймы. Мировые производители фототехники справляются с последствиями такого оптического явления с помощью специально разработанных низкодисперсных линз. Стекло, из которого они производятся, обладает великолепным свойством одинаково преломлять волны с разными значениями длины и частоты. Объективы, в которых устанавливаются низкодисперсные линзы, называются ахроматами.