Дисперсия света — физика 9 класс: разложение белого света, спектр и радуга

После дождя выглянуло солнце, и напротив — полукруглая радуга: красная полоса сверху, фиолетовая снизу, а между ними весь остальной хоровод цветов. Откуда она взялась, если дождь — просто вода, а солнце — просто свет? Ответ нашёл ещё в семнадцатом веке Исаак Ньютон с куском стекла, который называют призмой. На этом уроке проследим его опыт шаг за шагом, выясним, почему стекло преломляет разные цвета по-разному, запомним порядок цветов спектра и соберём из этого знания объяснение радуги — без всяких мифов про змею и горшок золота.

Опыт Ньютона: белый свет — это смесь

В 1666 году Ньютон затемнил комнату и проделал в ставне окна маленькое отверстие: узкий пучок солнечного света протянулся через комнату белой полоской. На пути пучка он поставил треугольную стеклянную призму — и на противоположной стене вместо белой полоски растянулась радужная, от красного до фиолетового. Эту разноцветную полоску назвали спектром. До Ньютона считали, что призма портит свет, добавляя в него цвет, словно краску. Ньютон доказал, что всё наоборот: цвет был в свете всегда, а призма лишь разложила смесь на составляющие.

Решающий довод — второй опыт. Ньютон взял вторую призму, перевёрнутую вверх ногами, и направил на неё уже разложенный пучок: цвета прошли через стекло и снова слились в белую полоску. Если бы призма портила свет или добавляла краску, обратного превращения не вышло бы. Значит, белый свет — это смесь волн разных цветов, как аккорд — смесь нот, а призма работает как фильтр, который разводит ноты по отдельности. Красивый штрих: направив на призму лишь один узкий цвет из спектра, Ньютон получил пятно строго одного цвета, сколько бы ни крутил стекло.

Почему призма разделяет цвета

На каждой грани призмы свет преломляется — меняет направление, переходя из воздуха в стекло и обратно. Стекло для света — среда с показателем преломления $n$, который связывает скорость света в вакууме со скоростью в веществе.

Хитрость в том, что у каждого цвета свой показатель преломления: стекло замедляет фиолетовые лучи сильнее, чем красные, поэтому фиолетовые преломляются сильнее всех и уходят вниз по спектру, а красные отклоняются меньше всех. У красных лучей длина волны $\lambda$ примерно вдвое больше, чем у фиолетовых, и чем короче волна, тем медленнее она идёт в стекле.

Зависимость показателя преломления от цвета (то есть от длины волны) и называется дисперсией света. Из-за неё пучок белого света внутри призмы веером расходится на веер цветных лучей, и каждый цвет рисует на стене свою полоску. Обрати внимание: призма преломляет луч дважды — на входе и на выходе, причём обе грани у неё наклонены в одну сторону, поэтому отклонение накапливается. Дисперсия есть в любом преломляющем материале: воде, стекле, алмазе — поэтому бриллиант играет вспышками, а гранёная люстра рассыпает по потолку крошечные радуги.

Спектр: семь цветов и их порядок

В сплошном спектре белого света цвета идут строго по порядку: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Красный преломляется слабее всех, фиолетовый — сильнее всех. Семь полос Ньютон выделил отчасти по музыке: он хотел уложить спектр в число нот октавы, и границы между цветами отчасти условны — на самом деле цвета плавно перетекают друг в друга без резких линий. Но для школьных задач деление удобное, а порядок обязателен к запоминанию.

Монохроматический и белый свет

Свет, в котором волны одной длины и одного цвета, называют монохроматическим. Идеальный пример — лазерная указка: её луч красный везде и всюду, его нельзя разложить призмой дальше. Белый свет — полная противоположность: это смесь всех цветов сразу, и призма лишь раскрывает её состав. Смешай обратно все цвета спектра — получишь белый, а если смешать лишь два цвета, например красный и зелёный, выйдет жёлтый: цветовые смеси подчиняются своим правилам, и глаз складывает их не так, как призма.

Дисперсия#

зависимость показателя преломления вещества от цвета светового луча

Спектр#

разноцветная полоска, в которую призма разложила белый свет

Монохроматический свет#

свет одной длины волны и одного цвета

Показатель преломления#

число, показывающее, во сколько раз свет медленнее в веществе, чем в вакууме

Спектральный анализ#

определение состава вещества по его спектру

Монохроматических источников вокруг больше, чем кажется. Натриевые лампы вдоль дорог светят почти чистым жёлтым: разреженные пары натрия дают узкую линию, поэтому под ними все машины кажутся серыми. Неоновые трубки рекламных вывесок светят своим характерным красно-оранжевым, и у каждого газа свой цвет. Набор узких цветных линий в спектре разреженного газа — это и есть набор его монохроматических красок, и именно по ним спектральный анализ узнаёт состав звёзд и сплавов.

Радуга и спектры вокруг нас

Радуга — тот же опыт Ньютона, только призмой служат капли дождя. Луч солнца входит в каплю, преломляется, отражается от задней стенки и выходит обратно, снова преломляясь. Каждый цвет после двойного преломления выходит под своим углом: фиолетовые лучи круче, красные — под углом около сорока двух градусов к направлению на солнце. Чтобы увидеть радугу, солнце должно быть за спиной, а завеса дождя — впереди. Красный цвет оказывается снаружи, то есть в верхней части дуги, а фиолетовый — внутри. Полная радуга — круг, но от земли видна обычно лишь дуга: с самолёта удаётся увидеть и целое кольцо. Есть и связь с высотой солнца: чем выше оно поднимается, тем ниже сидит дуга, а когда солнце стоит выше сорока двух градусов, радуга вовсе прячется за горизонт — поэтому в летний полдень её почти не увидишь.

Спектры вышли далеко за рамки игр со стеклом. Нагретое твёрдое тело даёт сплошной спектр со всеми цветами, а светящийся разреженный газ — набор узких цветных линий, и у каждого газа свой набор, как отпечатки пальцев. Если же посмотреть сплошной спектр сквозь холодный газ, в нём появятся тёмные линии поглощения на тех же местах. На этом построен спектральный анализ: по линиям в спектре узнают химический состав вещества, не притрагиваясь к нему. Именно так в спектре Солнца нашли линии неизвестного на Земле элемента и назвали его гелием — в честь Солнца. Сегодня спектральный анализ работает в астрономии, криминалистике и на любом заводе, где нужно быстро проверить сплав.

Если свет внутри капли успевает отразиться дважды, рождается вторая радуга: она сидит выше первой, заметно бледнее, и порядок цветов в ней обратный — красный оказывается внутри. Участок неба между двумя дугами темнее остального неба, и его даже назвали полосой Александра. Присмотрись к фонтану в солнечный день: в брызгах у края струи радуга вмещается в пару метров и повторяет всё то же устройство, что и небесная.

Дисперсия связывает два мира школьной физики: геометрию лучей и волновую природу света, которая впереди в девятом классе. Потренируйся различать цвета по длинам волн, вспоминай порядок спектра и объясни кому-нибудь вслух, почему радуга красная сверху — если объяснил без запинки, тема твоя. Дальше по курсу — интерференция и дифракция света: там волновая природа проявится уже не в цветах, а в полосках и тенях. А пока закрой квиз и тренажёр: вопросы про порядок цветов, опыт Ньютона и радугу встречаются и в контрольных, и на экзамене.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема