Как образуется радуга?

Дисперсия света

Опыт Ньютона

Автор: Как Вы считаете, что произойдет, если тонкий пучок параллель­ных солнечных лучей направить на стеклянную призму,за которой рас­положен непрозрачный экран (рис. 18.1)?

Рис. 18.1

Читатель: Насколько я помню из курса 8-го класса, белый свет должен разложиться на все цвета радуги. Автор: Именно так. Если пучок достаточно узкий, то на экране мы увидим светлое пятно НЕ белого цвета, а целую серию

разноцветных полос. Причем цвета будут располагаться в следующей последовательности: в самом верху – фиолетовый, затем синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, а в самом низу – красный. То есть на экране мы увидим все цвета радуги!

Рис. 18.2

Этот опыт поставил в 1672 году великий английский ученый Исаак Ньютон. Опыт проводился в затемненной комнате, а узкий пучок сол­нечных лучей получался с помощью маленького отверстия в оконной што­ре (рис. 18.2). На основании этого опыта Ньютон сделал два важных открытия:

1) свет белого цвета является составным: он состоит из света семи различных цветов;

2) свет каждого цвета имеет свой показатель преломления. Наибольший показатель преломления имеет свет фиолетового цвета, а наименьший – красного.

Различие в показателях преломления у света различных цветов Ньютон назвал дисперсией (от латинского слова dispersus – рассеянный, разбросанный), а само радужное изображение спектром (от латинского словаspectrum – видéние).

Многочисленные опыты показывают, что различие в показателях пре­ломления у света различных цветов наблюдается в любых прозрачных средах, в том числе и в воде. Причем, во всех средах наибольший пока­затель преломления у фиолетового света и наименьший – у красного.

Для того чтобы лучше запомнить порядок следования цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, полезно запомнить следующую фразу, в которой каждое слово начинается с та­кой же буквы, что и цвет полоски: "Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан".

Читатель: Но тогда получается, что и фокусное расстояние линзы зависит от того, свет какого цвета падает на линзу? Ведь оптическая сила линзы зависит от показателя преломления:

.

Автор:Вы правы. Это значит, что у одной и той же линзы оптическая сила для света фиолетового цвета больше, чем для красного.

Как образуется радуга?

Заметим, что, во-первых, радуга наблюдается после дождя, во-вторых, радуга всегда расположена напротив Солнца, то есть если вы стоите лицом к радуге, то Солнце находится у васза спиной.

Рис. 18.3

Дело здесь в преломлении солнечного света в мельчайших капельках воды. Рассмотрим луч солнечного света, падающий на шарообразную каплю воды (рис. 18.3). Сначала свет преломляется, когда входит в каплю, на границе воздух–вода. Затем свет отражается от внутренней поверхности капли на границе вода–воздух и, наконец, еще раз преломляется при выходе из капли на границе вода–воздух.

Поскольку свет различных цветов преломляется на разные углы, то после выхода из капли лучи разных цветов идут по разным направлениям, и наблюдатель видит не белый цвет, а его «составные части», то есть цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, А2, В1–В5, С1, С2.

Отраженный свет

Читатель: А чем объяснить, что различные тела имеют различный цвет? Почему, например, одна ткань красная, а другая синяя?

Автор: Все тела, как мы знаем, обладают способностью поглощать падающий на него белый свет, состоящий из семи основных цветов, и отражать его. Способности тела поглощать и отражать различ­ные цвета света различны. Например, одно тело хорошо отражает свет красного цвета, а все остальные поглощает. Ясно, что такое тело (при освещении белым светом!) мы увидим красным. А другое тело, допустим, хорошо отра­жает синий свет, а все остальные поглощает. Такое тело (при освещении белым светом) мы увидим синим. Различные оттенки в окраске тел получаются оттого, что тела обычно отражают свет всех цветов. Но одни цвета отражаются лучше, а другие хуже. Сочетание лучей света различных цветов и различной интенсивности создает многообразие оттенков.

Читатель: А как образуется черный цвет?

Автор: Черный цвет – это отсутствие какого-либо света вообще. То есть если бумага поглощает полностью свет всех цветов, то она кажется нам черной.

Проходящий свет

Читатель: А как объяснить цвет красного стекла? То есть почему если через красное стекло посмотреть на Солнце, то Солнце будет казаться нам красным?

Автор: Дело в том, что прозрачные тела способны не только поглощать и отражать свет, но и пропускать его. Некоторые вещества (например, оконное стекло или чистая вода) пропускают свет всех цветов одинаково, а некоторые (например, упомянутое Вами красное стекло) – избирательно. То есть красное стекло пропускает лучи только красного цвета, а все остальные поглощает. Синее стекло пропускает лучи только синего цвета, а все остальные поглощает и т.д. Когда мы наблюдаем белый свет через красное стекло, мы воспринимаем только пропущенные стеклом лучи — красные. Поэтому белое Солнце и кажется красным.

СТОП! Решите самостоятельно: А3–А6, В6, С3.

Задача 18.1.Какого цвета мы увидим: а) синие чернила в бутылке из синего стекла; б) красные чернила в бутылке из синего стекла? Обе бутылки освещены солнечным светом.

Решение. Прежде всего, заметим, что цвет чернил надо определять в проходящем свете, то есть надо сквозь чернила посмотреть на Солнце или на электри­ческую лампу.

В случае а) сначала белый свет, пройдя сквозь синее стекло, станет синим (все остальные лучи поглотятся синим стеклом). Далее синий свет беспре­пятственно пройдет сквозь синие чернила, ведь синие чернила пропускают синий свет. А затем синий свет еще раз пройдет через синее стекло, которое его беспрепятственно пропустит, и попадет в глаз наблюдателя (рис. 18.4, а). Значит, синие чернила мы увидим синего цвета, что, согла­ситесь, совсем не удивительно.

Рис. 18.4

В случае б) дело обстоит сложнее. Сначала белый свет, пройдя в первый раз через синее стекло, станет синим (рис. 18.4, б). Но после того как синие лучи попадут в красные чернила, они полностью там поглотятся, ведь красные чернила пропускают только красный свет.

Читатель: Значит, мы ничего не увидим?

Автор: Поскольку солнечный свет не пройдет через синюю бутылку с красными чернилами, то мы увидим «отсутствие света». А отсутствие света воспринимается человеческим глазом как черныйцвет. Следовательно, синяя бутылка с красными чернилами будет казаться нам черной. (Не верите? Проверьте экспериментально.)

Задала 18.2.На белой бумаге написана буква: а) красным цветом, б) синим цветом. Что мы увидим, если посмотрим на букву через красное стекло при солнечном освещении?

Решение. В обоих случаях на бумагу падает только красный свет, так как все остальные лучи поглощаются красным стеклом (рис. 18.5).

Рис. 18.5

От белой бумаги, которая хорошо отражает все цвета, красный свет благополучно отразится и также благополучно выйдет наружу через красное стекло. Так что бумагу мы увидим красной в обоих случаях.

В случае а) от красной буквы красный свет тоже отразится и тоже беспрепятствен­но выйдет наружу через красное стекло. Значит, букву мы увидим красной (рис. 18.5, а). В результате мы увидим красную букву на красной бумаге. Но если крас­ный цвет стекла точно соответствует красному цвету буквы, то красную букву на красном фоне мы просто не разглядим.

В случае б) от синей буквы падающий на нее красный свет не отразится вообще (рис. 18.5, б). Поэтому никакого света от синей буквы исходить не будет. Значит, она будет казаться нам черной. В результате мы увидим черную букву на красном фоне.

Рис. 18.6

Читатель: А если допустить, что на букву падает белый свет не только через красное стекло, но и сбоку (рис. 18.6)? Автор: И в этом случае результат будет точно таким же. Попробуйте убедиться в этом самостоятельно.

СТОП! Решите самостоятельно: А8–А10, В7–В10.

Рассеянный свет

Читатель: От Солнца исходит свет белого цвета. Почему же небо голубого цвета?

Автор: Здесь «виновата» атмосфера. Дело в том, что свет различных цветов по-разному рассеивается в атмосфере. Лучше всего рассеивается свет с наибольшим показателем преломления, то есть фиолетовый, затем синий, голубой и т.д. Хуже всех рассеивается красный свет. Таким обра­зом, атмосфера является источником рассеянного солнечного света, в котором преобладает свет голубого цвета.

Замечу еще вот что. На пути через толщу воздуха свет Солнца час­тично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеивается свет, имеющий наибольший показатель преломления, то есть фиолетовый, затем синий, голубой и т.д. Так что достигший Земли солнечный свет становится относительно богаче излучением желтого, оранжевого и красного цветов. При восходе и заходе Солнца (или Луны) свет преодолевает значи­тельно бóльшую толщу воздуха, чем в полдень. Этот эффект показан на рис. 18.7: S₁ – светило в зените – короткий путь в атмосфере (АВ); S₂ – светило на горизонте – длинный путь в атмосфере (СВ). Благодаря этому эффекту Солнце и Луна на восходе и закате имеют медно-желтый и даже красноватый оттенок.

Рис. 18.7

Задача 18.3. Почему внизу на фоне деревьев дым костра кажется синим, однако над верхушками деревьев (на фоне светлого неба) он выглядит желтовато-красным?

Решение. Внизу мы наблюдаем дым в отраженном свете. Цвет дыма внизу определяется светом, рассеянным частицами дыма. Как и при рассеянии в воздухе, наиболее сильно рассеивается свет синей части спектра, это и приводит к тому, что дым костра кажется синим.

Над верхушками деревьев, на фоне светлого неба цвет дыма определяется проходящими через него лучами света. В проходящем свете из-за рассеяния уменьшается относительная доля синей компоненты спектра и в результате цвет дыма костра кажется желтовато-красным.

СТОП! Решите самостоятельно: А11, А12, В11, С4–С7.