2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

5. Волновая и квантовая оптика

УРОК 8/66

Тема. Дисперсия света

Цель урока: дать понятие о дисперсии света и объяснить ее с точки зрения электромагнитной теории.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Опыты Ньютона по разложению белого света в спектр

в 1666 году Исаак Ньютон направил тонкий пучок солнечного света на стеклянную призму. За призмой наблюдалось разложение белого света в цветной спектр: семь основных цветов - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый плавно переходили друг в друга. Малейшего отклонения от первоначального направления падения испытывают красные лучи, а наибольшего - фиолетовые.

Ньютон пришел к выводу, что белый свет имеет сложную структуру, то есть белый свет содержит электромагнитные волны разных частот.

Второй важный вывод Ньютона заключается в том, что свет различного цвета характеризуется разными показателями преломления в определенной среде. Это означает, что абсолютный показатель преломления nф для фиолетовых цветов больше, чем для красного nч. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией (от латинского слова dispersio - «рассеяние»).

2. Дисперсия света

Согласно волновой теории цвета света определяются частотой электромагнитной волны, которой является свет. Наименьшую частоту имеет красный цвет, самый - фиолетовый. Анализируя опыты Ньютона и опираясь на волновую теорию света, можно сделать вывод: показатель преломления света зависит от частоты световой волны.

Различным скоростям распространения волн соответствуют разные абсолютные показатели преломления среды (n = c/).

Явление разложения света в спектр, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления среды от частоты световой волны, называют дисперсией света.

Учитывая то, что длина волны обратно пропорциональна частоте (λ = c/), можно утверждать, что абсолютный показатель преломления уменьшается в соответствии с увеличением длины световой волны.

Отсюда следует то, что в случае заданной частоты длина волны больше в той среде, где скорость волны больше.

Во время перехода из одной среды в другую скорость распространения световой волны изменяется, но частота v, а следовательно, и цвет света остаются неизменными. Поэтому, согласно формуле = λv, изменяется длина световой волны. Во время перехода в среду с большей оптической плотностью длина волны, как и ее скорость, уменьшается:

Опыты доказали, что цвет определяет именно частота световой волны, поэтому, например, длина волны красного света в воде меньше, чем в вакууме (или воздухе).

3. Спектроскоп

Совокупность частот световых волн, которые содержатся в излучении какого-либо вещества, называют спектром излучения этого вещества.

Спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру.

Спектральный состав света изучают с помощью спектральных аппаратов. Обычно спектральный аппарат состоит из трех основных частей: коллиматора, призмы и зрительной трубы (или линзы и экрана).

Коллиматор представляет собой узкую трубку, на одном конце которой расположена ширма с щелью 1, что находится в фокусе линзы 2.

Узкий параллельный пучок света направлено на призму 3. После преломления, то из призмы выходят пучки, каждый из которых отклоняется на некоторый угол. Если пучки фокусирует собирательная линза 4 на фотопластинке или экране, то такой прибор называется спектрографом. Если вместо линзы и экрана используют зрительную трубу, то прибор называют спектроскопом.

4. Окраска предметов

Поскольку белый свет является составным,то есть представляет собой совокупность различных цветов, окраски предметов может возникать по двум причинам:

1) Исключение какого-либо цвета (или цветов) из состава белого света в случае поглощения веществом световых волн с определенной длиной волны. В результате отраженный от вещества или преломленное ней свет приобретает окраску. Например, зеленый цвет листьев растений обусловлен тем, что хлорофилл, который входит в их состав, поглощает в основном красные лучи. Все остальные цвета спектра лист отражает, но белый свет после исключения из его состава красных цветов глаз воспринимает как зеленый.

2) Разделение цветов в пучке белого света из-за того, что волны разной длины волны преломляются или рассеиваются веществом по-разному, а также в результате интерференции или дифракции. Например:

• вследствие того, что волны разной длины волны преломляются по-разному, пучок белого света после преломления в призме разлагается в цветной спектр;

• при интерференции лучей, отраженных двумя поверхностями тонкой пленки, возникает радужное окраски (мыльные пузыри, крылья насекомых);

• поскольку волны разной длины волны по-разному рассеиваются на скоплениях молекул в воздухе, цвет неба становится голубым;

• радуга также объясняется разделением цветов во время преломления света капельками воды.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как можно наблюдать явление дисперсии света?

2. Почему Ньютон сделал из своего опыта вывод, что белый свет является составным?

3. Чем объясняется разложение белого света на цветные пучки?

4. Наблюдается ли дисперсия света при прохождении через вакуум?

Второй уровень

1. На стеклянную призму напрямляють луч красного или зеленого света. Будет наблюдаться разложение света на какие-то цветные лучи?

2. Почему при прохождении через треугольную стеклянную призму широкого пучка белого света радужное окраска появляется только у краев пучка?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. На тетради написано красным карандашом «отлично» и зеленым - «хорошо». Есть два стекла - зеленое и красное. Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть слово «отлично»?

2. Одним из недостатков первых телескопов Галилея было радужное окрашивание краев изображений. Объясните это явление.

2). Учимся решать задачи

1. Световая волна длиной волны 600 нм распространяется в воздухе. Какова длина волны в воде?

Решения. Длины волн λ1 и λ2 световых волн в воздухе и в воде связаны со скоростями 1 и 2 распространение этих волн в воздухе следующими соотношениями: λ1 = 1/v и λ2 = 2/v, где v - частота света не изменяется при переходе света из одной среды в другую. Из предыдущих уравнений получаем:

Скорости распространения света в воздухе и в воде связаны с абсолютными показателями преломления этих сред соотношением: Отсюда Окончательно:

Подставляя числовые значения, получаем 4,51 · 10-7 м.

2. Какова длина волны желтого света паров натрия в стекле с показателем преломления 1,56? Длина волны этого света в воздухе равна 589 нм.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Ньютон пришел к выводу, что белый свет имеет сложную структуру, то есть белый свет содержит электромагнитные волны разных частот.

• Явление разложения света в спектр, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления среды от частоты световой волны, называют дисперсией света.

• Во время перехода в среду с большей оптической плотностью длина волны, как и ее скорость, уменьшается:

• В случае заданной частоты длина волны больше в той среде, где скорость волны больше.

• Спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру.

• Каждый цвет имеет свою частоту волны.

Домашнее задание

1. Подр-1: § 43; подр-2: § 22 (п. 1).

2. Сб.:

Рів1 № 14.1; 14.2; 14.3; 14.4.

Рів2 № 14.21; 14.22; 14.23; 14.25.

Рів3 № 14.29, 14.31; 14.32; 14.35.