Експерименти Ньютона. Дисперсія світла

Вперше досвід розкладання світла в спектр був зроблений Ісааком Ньютоном в 1666 році. Він зробив маленький отвір у віконному віконниці і в сонячний день отримав вузький пучок світла, на шляху якого поставив трикутну скляну призму. Пучок переломився в ній, і на протилежній стіні з'явилася кольорова смуга, де розташувалися в порядку всі кольори веселки: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. Цю кольорову смугу Ньютон назвав спектром(Від латинського "спектрум" - видиме).

Найменшого відхилення від початкового напрямку падіння зазнають червоні промені, а найбільшого – фіолетові.

Після такого експерименту Ньютон зробив перший висновок: розкладання білого світла в кольоровий спектр означає, що біле світло має складну структуру, тобто є складовим, тобто сумішшю всіх кольорів веселки.

Другий висновокНьютона полягав у тому, що світло різних кольорів характеризується різними показниками заломлення у певному середовищі. Це означає, що абсолютний показник заломлення для фіолетових кольорів більший, ніж для червоних.

Залежність показника заломлення світла від його кольору Ньютон назвав дисперсією(Від латинського слова dispersio - "розсіювання").

Однак Ньютон був прихильником корпускулярної теорії та пояснити явище дисперсії не міг.

Дисперсія світла

Відповідно до хвильової теорії кольори світла визначаються частотою електромагнітної хвилі, Якою є світло. Найменшу частоту має червоне світло, найбільшу – фіолетовий. Виходячи з дослідів Ньютона і спираючись на хвильову теорію світла, слідує висновок: показник заломлення світла залежить від частоти світлової хвилі.

Дисперсія світла- Це явище розкладання світла у спектр, обумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища від частоти світлової хвилі.

Що від чого залежить?

Різним швидкостям поширення хвиль відповідають різні абсолютні показники заломлення середовища
.

Отже, промінь червоного кольору переломлюється менше через те, що він має у речовині найбільшу швидкість, а промінь фіолетового кольору – найменшу.

Частота та довжина хвилі пов'язані між собою

З формули видно, що довжина хвилі прямо пропорційна швидкості світла і обернено пропорційна частоті. Звідси випливає те, що довжина хвилі більша в тому середовищі, де швидкість хвилі більша(При заданій частоті).

З формул видно, що

Тому можна стверджувати, що абсолютний показник заломлення зменшується відповідно до збільшення довжини світлової хвиліі збільшується відповідно до зменшення довжини світлової хвилі.

Отже, під час переходу з одного середовища до іншого швидкістьпоширення світлової хвилі, а значить та довжина хвилі, змінюється , а частота,а значить і колір світла, залишається незмінною .

Як око розрізняє кольори?

На сітківці очі розташовані світлочутливі елементи – нервові закінчення, які називають «паличками» та «колбочками». Палички відрізняють лише світле від темного. Колбочки є трьох типів – їх умовно називають «червоні», «зелені» та «сині». Тому що «червоні» колби найбільш чутливі до червоного кольору, «зелені» – до зеленого, а «сині» – до синього. І все різноманіття видимих ​​нами кольорів обумовлено «сигналами», що посилаються в мозок всього трьома типами колб.

Складання квітів

Віднімання квітів

Теми кодифікатора ЄДІ: дисперсія світла.

Нехай сонячний промінь переходить із повітря в прозоре середовище (наприклад, воду чи скло). Якщо кут падіння не дорівнює нулю, то, як ви пам'ятаєте, кут заломлення визначається із закону заломлення:

Величина, що називається показником заломлення, характеризує середовище і від кута падіння не залежить.

Виявляється, проте, що середовище по-різному реагує проходження електромагнітних хвиль різних частот. Має місце дисперсія - Залежність показника заломлення середовища від частоти світла.

Досвід Ньютона.

Класичний досвід спостереження дисперсії було поставлено Ньютоном. Вузький промінь сонячного світла прямував на трикутну скляну призму (рис. 1).

На екрані за призмою з'являвся спектр- райдужна смуга. Один край спектру виявився червоним, інший - фіолетовим, а кольори всередині спектру безперервно переходили один до одного.

Виділяючи промінь будь-якого кольору (наприклад, червоного чи синього) та запускаючи його в іншу призму, ми вже не побачимо зміни кольору заломленого променя. Отже, компоненти веселки є найпростішими кольорами, які не розкладаються далі. Їх можна зібрати назад за допомогою другої призми, і тоді знову вийде біле світло. Отже, біле світло є сумішшю світлових пучків різних кольорів, що безперервно заповнюють діапазон видимого світла від червоного до фіолетового.

Ми бачимо таким чином, що скляна призма є найпростішим спектральним приладом- вона дає змогу досліджувати спектральний склад білого світла. З дією складнішого спектрального приладу - дифракційної ґрат - ми познайомилися в попередній темі.

Як показує досвід Ньютона, найслабше заломлюється червоне світло, а найсильніше - фіолетовий. У видимому діапазоні червоне світло має найменшу частоту, а фіолетовий – найбільшу. Якщо показник заломлення стає все більше в міру руху від червоного кінця діапазону до фіолетового, ми робимо висновок, що показник заломлення скла збільшується зі зростанням частоти світла.

Але показник заломлення є відношення швидкості світла повітря до швидкості світла серед: . Значить, чим більша частота світла, тим із меншою швидкістю світло поширюється у склі. Найбільшу швидкість усередині скляної призми має червоне світло, найменшу – фіолетовий.

Відмінність у швидкостях світла щодо різних частот проявляється лише за наявності середовища. У вакуумі швидкість поширення електромагнітних хвиль не залежить від частоти і дорівнює.

Відкрита та досліджена Ньютоном, дисперсія світла більше двохсот років чекала свого пояснення – потрібні були відповідні відомості про будову речовини. Класична теорія дисперсії була запропонована Лоренцем лише наприкінці ХІХ століття. Точніша квантова теорія дисперсії з'явилася в першій половині минулого століття.

Хроматична аберація.

]Припустимо, що на лінзу, що збирає, паралельно головній оптичній осі падає пучок білого світла. Заломлюючись у лінзі, він, здавалося б, має зібратися у її фокусі. Однак унаслідок дисперсії виникає хроматична аберація- деяке розфокусування пучка, спричинене різною заломлюваністю різних компонентів білого світла.

Явище хроматичної аберації показано на рис. 2 .

Рис. 2. Хроматична аберація

Показник заломлення матеріалу лінзи набуває найменшого значення для червоного світла, і тому червоне світло заломлюється найслабше. Червоні промені збираються на головній оптичній осі в найбільш віддаленій від лінзи точці. Жовті промені збираються ближче до лінзи, зелені – ще ближче, і, нарешті, у найближчій до лінзи точці зійдуться фіолетові промені.

Хроматична аберація погіршує якість зображень – знижує чіткість, дає зайві кольорові смуги. Але з хроматичною аберацією можна боротися. Для цього в оптичній техніці застосовують так звані ахроматичні лінзи, одержувані накладанням на лінзу, що збирає додаткової розсіюючої лінзи. Здогадайтеся - навіщо потрібна лінза, що розсіює?

У 1704 р. виходить знаменита праця Ісаака Ньютона (1642-1727) «Оптика», в якому вперше був описаний експериментальний метод дослідження колірного зору. Він називається методом адитивного змішування кольорів, і отримані цим методом результати започаткували експериментальну науку про колір.

Досліди Ньютона описані в багатьох посібниках, тому ми розглянемо їх тільки у зв'язку із питанням про природу кольору. Рис. 1.1 є схемою установки Ньютона і ілюструє суть дослідів.

Якщо як екран 1 взяти щільний лист білого картону, то після проходження сонячного променя через призму на екрані відобразиться звичайний лінійний колірний спектр. Для перевірки гіпотези, де виникають кольорові промені - у світлі або призмі, - Ньютон прибрав екран 1 і пропустив спектральні промені на лінзу, яка знову зібрала їх в пучок на екрані 2, і цей пучок був такий же безбарвний, як вихідне світло.

Таким чином, Ньютон показав, що кольори утворюються не призмою, а...! І ось тут необхідно на хвилину зупинитися, тому що досі були фізичні досліди зі світлом, і тільки тут починаються досліди зі змішування кольорів. Отже, сім кольорових променів, змішаних разом, дають білий промінь, а отже, саме склад світла був причиною появи кольору, але куди вони подіються після змішування? Чому, як не розглядаєш біле світло, у ньому немає жодного натяку на кольорові промені, з яких він складається?

Саме цей феномен, який дозволить сформулювати один із законів змішування кольорів, і привів Ньютона до розробки методу змішування кольорів. Звернемося знову до мал. 1.1. Поставимо замість суцільного екрану 1 інший екран 1, в якому вирізані отвори так, щоб тільки частина променів (два, три або чотири з семи) проходила, а решта загороджувалися світлонепроникними перегородками. І тут розпочинаються дива. На екрані 2 з'являються кольори невідомо звідки і невідомо як. Наприклад, ми закрили шлях променям фіолетовому, блакитному, синьому, жовтому та помаранчевому і пропустили зелений та червоний промені. Однак, пройшовши через лінзу і дійшовши до екрана 2, це проміння зникло, але замість них з'явився жовтий. Якщо подивитися на екран 1, ми переконуємося, що жовтий промінь затриманий цим екраном і не може потрапити на екран 2, але на екрані 2 такий самий жовтий колір. Звідки він узявся?

Такі ж чудеса трапляються, якщо затримати всі промені, крім блакитного та помаранчевого. Знову зникнуть вихідні промені, а з'явиться біле світло, таке саме, якби воно складалося не з двох променів, а з семи. Але найдивовижніше явище виникає, якщо пропустити лише крайні промені спектра – фіолетовий та червоний. На екрані 2 з'являється зовсім новий колір, якого не було ні серед вихідних семи кольорів, ні серед інших комбінацій,- пурпурний.

Ці разючі феномени змусили Ньютона уважно розглянути промені спектра та їх різні суміші. Якщо й ми вдивимося в спектральний ряд, то побачимо, що окремі складові спектру не відокремлюються один від одного різкою межею, а поступово переходять один в одного так, що сусідні у спектрі промені здаються більш схожими один на одного, ніж далекі. І тут Ньютон відкрив ще один феномен.

Виявляється, для крайнього фіолетового променя спектра найбільш близькими за кольором є не лише синій, а й неспектральний пурпурний. І цей же пурпурний разом із помаранчевим складає пару сусідніх кольорів для крайнього червоного променя спектру. Тобто якщо розташувати кольори спектру і суміші відповідно до їх схожості, що сприймається, то вони утворюють не лінію, як спектр, а замкнене коло (рис. 1.2), так що найбільш різні за становищем в спектрі випромінювання, тобто найбільш розрізняються фізично промені, виявляться дуже близькими за кольором.

Це означало, що фізична структура спектра та колірна структура відчуттів абсолютно різні явища. І це був головний висновок, який Ньютон зробив зі своїх дослідів у «Оптиці»

«Коли я говорю про світло і промені як про кольорові або викликаючі кольори, слід розуміти, що я говорю не у філософському сенсі, а так, як кажуть про ці поняття прості люди. По суті ж промені є кольоровими; в них немає нічого, крім певної здатності та схильності викликати відчуття того чи іншого кольору. Так само як звук ... в будь-якому тілі, що звучить, є не що інше, як рух, який органами почуттів сприймається у вигляді звуку, так і колір предмета є не що інше, як схильність відображати той чи інший вид променів більшою мірою, ніж інші , колір променів - це їх нахил тим чи іншим способом впливати на органи почуттів, які відчуття приймає форму кольорів» (Ньютон, 1704).

Розглядаючи взаємовідносини між різними за фізичним складом променями світла і викликаними ними колірними відчуттями, Ньютон перший зрозумів, що колір є атрибутом сприйняття, для якого потрібен спостерігач, здатний сприйняти промені світла і інтерпретувати їх як кольори. Саме світло пофарбоване не більше, ніж радіохвилі чи рентгенівські промені.

Таким чином, Ньютон перший експериментально довів, що колір - це властивість нашого сприйняття, і природа його у влаштуванні органів чуття, здатних інтерпретувати певним чином вплив електромагнітних випромінювань.

Оскільки Ньютон був прихильником корпускулярної теорії світла, він вважав, що перетворення електромагнітних випромінювань у кольори здійснюється шляхом вібрації нервових волокон, так що певне поєднання вібрацій різних волокон викликає в мозку певне відчуття кольору.

Зараз ми знаємо, що Ньютон помилився, припустивши резонансний механізм генерації кольору (на відміну від слуху, де перший етап перетворення механічних коливань у звук здійснюється саме резонансним механізмом, колірний зір влаштований принципово інакше), на нас важливіше інше, те, що Ньютон вперше виділив специфічну тріаду: фізичне випромінювання – фізіологічний механізм – психічний феномен, у якій колір визначається взаємодією фізіологічного та психологічного рівнів. Тому ми можемо назвати думку Ньютона ідеєю про психофізіологічну природу кольору.

Приблизно в 1666 р. Ньютон зробив такий простий, але надзвичайно важливий досвід (рис. 157): «Я взяв довгастий шматок товстого чорного паперу з паралельними сторонами і розділив його на дві рівні половини лінією. Папір був дуже чорним, фарби були інтенсивними і наносилися товстим шаром для того, щоб явище могло бути чіткішим. Цей папір я розглядав крізь призму з масивного скла, сторони якого були плоскими та добре полірованими.

Розглядаючи папір, я тримав його і призму перед вікном Стіна кімнати за призмою, під вікном, була вкрита чорною матерією, що була в темряві; таким чином, від неї не могло відбиватися світло, яке, проходячи повз краї паперу в око, змішувалося б зі світлом від паперу і затемнювало б явище. Встановивши предмети таким чином, я виявив, що в тому випадку, коли заломляючий кут призми повернутий догори, так що папір здається внаслідок заломлення піднятим (зображення ), то синя сторона піднімається заломленням вище, ніж червона. що опустилася внаслідок заломлення (зображення то синя частина виявиться дещо нижчою, ніж червона

Таким чином, в обох випадках світло, що приходить від синьої половини паперу через призму до ока, відчуває за однакових обставин більше заломлення, ніж світло, що походить від червоної половини».

З сучасної точки зору це явище пояснюється тим, що показник заломлення скла, з якого зроблена призма, залежить від довжини хвилі світла. Промені з різною довжиною хвилі призму заломлює по-різному. У скла показник заломлення для синіх променів більший, ніж для червоних, тобто показник заломлення зменшується зі зростанням довжини хвилі.

Рис. 157. Схема досвіду Ньютона, що доводить існування дисперсії.

Ньютон описує і другий, не менш важливий досвід у цій же галузі. У зовсім темній кімнаті він зробив невеликий отвір у віконниці вікна, через яке проходив білий сонячний промінь (мал. 158). Пройшовши крізь призму, цей промінь давав на стіні цілий спектр. Тим самим було доведено, що біле світло є сумішшю кольорів і що цю суміш можна розкласти на складові кольори, користуючись відмінністю в заломленні для променів різного кольору.

Не слід, однак, думати, що Ньютон належить саме відкриття призматичних кольорів. С. І. Вавілов, один з найтонших знавців Ньютона, писав: «Ньютон зовсім не відкривав призматичних квітів, як це нерідко пишуть і особливо кажуть: вони були відомі задовго до нього, про них знали Леонардо да Вінчі, Галілей та багато інших; скляні призми продавалися XVII в. саме через призматичні кольори». Заслуга Ньютона полягає у проведенні чітких та тонких дослідів, які з'ясували залежність показника заломлення від кольору променів (див., наприклад, перший досвід).

Залежність показника заломлення від довжини хвилі світла називається дисперсією світла. На рис. 159 зображені дисперсійні криві ряду кристалів.

Практично дисперсію характеризують завданням низки значень показника заломлення для декількох довжин хвиль, що відповідають темним лініям фраунгоферов в сонячному спектрі.

На радянських оптичних заводах зазвичай користуються чотирма значеннями показника заломлення скла: показник заломлення для червоного світла з довжиною хвилі 656,3 мілімікрона для жовтого світла з довжиною хвилі для синього світла з довжиною хвилі і для синього світла з довжиною хвилі

Рис. 158. Дисперсійний діапазон білого світла.

Рис. 159. Дисперсійні криві різних речовин.

Скло з малою питомою вагою - крони - мають меншу дисперсію, важкі скла - флінти - більшу дисперсію.

У таблиці наведено чисельні дані про дисперсію радянських оптичних стекол та деяких рідких та кристалічних тіл.

(Див. скан)

З цифр, наведених у таблиці, випливає низка цікавих наслідків. Зупинимося на деяких із них. Дисперсія позначається у крайньому разі лише у зміні другого знака після коми у величині показника заломлення. Водночас, як ми побачимо далі, дисперсія грає колосальну роль роботі оптичних інструментів. Далі, хоча велика дисперсія, як

У 1672 році Ісаак Ньютон зробив простий експеримент, який описаний у всіх шкільних підручниках. Зачинивши віконниці, він зробив у них невеликий отвір, крізь який проходив сонячний промінь. На шляху променя була поставлена ​​призма, а за призмою – екран. На екрані Ньютон спостерігав веселку: білий сонячний промінь, пройшовши через призму, перетворився на кілька кольорових променів - від фіолетового до червоного. Це називається дисперсією світла.

Сер Ісаак був не першим, хто спостерігав це явище. Вже на початку нашої ери було відомо, що великі монокристали природного походження мають властивість розкладати світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла у дослідах зі скляною трикутною призмою ще до Ньютона виконали англієць Харіот та чеський дослідник Марці.

Однак до Ньютона подібні спостереження не піддавалися серйозному аналізу, а робилися на їх основі висновки не перевірялися ще раз додатковими експериментами. І Харіот, і Марці залишалися послідовниками Арістотеля, який стверджував, що різниця у кольорі визначається різницею у кількості темряви, що «примішується» до білого світу. Фіолетовий колір, за Аристотелем, виникає при найбільшому додаванні темряви до світла, а червоний - при найменшому. Ньютон же проробив додаткові досліди зі схрещеними призмами, коли світло, пропущене через одну призму, потім проходить через іншу. На підставі сукупності виконаних дослідів він зробив висновок про те, що «ніякого кольору не виникає з білизни та чорноти, змішаних разом, крім проміжних темних; кількість світла не змінює вигляду кольору». Він показав, що біле світло слід розглядати як складове. Основними є кольори від фіолетового до червоного.

Цей експеримент Ньютона служить чудовим прикладом того, як різні люди, спостерігаючи те саме явище, інтерпретують його по-різному і лише ті, хто ставить під сумнів свою інтерпретацію і ставить додаткові досліди, діходять правильних висновків.

Експеримент Генрі Кавендіша

Встановлення Ньютоном закону всесвітнього тяжіннястало найважливішою подією в історії фізики. Його значення визначається, насамперед, універсальністю гравітаційної взаємодії. На законі всесвітнього тяжіння ґрунтується один із центральних розділів астрономії - небесна механіка. Ми відчуваємо силу тяжіння до Землі, проте тяжіння малих тіл одне до одного невідчутне. Потрібно експериментально довести справедливість закону всесвітнього тяжіння та для звичайних тіл. Саме це й зробив Г.Кавендіш, принагідно визначивши середню щільність Землі.

де m 1 і m 2 - маси матеріальних точок, R - відстань між ними, a F- Сила взаємодії між ними. До початку XIX ст. Gдо закону всесвітнього тяжіння не вводилося, тому що для всіх розрахунків у небесній механіці достатньо використовувати постійні GM, що мають кінематичну розмірність Постійна Gз'явилася вперше, мабуть, лише після уніфікації одиниць та переходу до єдиної метричної системи заходів наприкінці XVIII століття. Чисельне значення Gможна обчислити через середню густину Землі, яку потрібно було визначити експериментально. Очевидно, що при відомих значеннях щільності с і радіусу R Землі, а також прискорення вільного падіння gна її поверхні можна знайти G:

Спочатку експеримент був запропонований Джоном Мічеллом. Саме він сконструював головну деталь в експериментальній установці - крутильні ваги, проте помер 1793 так і не поставивши досвіду. Після його смерті експериментальна установка перейшла до Генрі Кавендішу. Кавендіш модифікував установку, провів досліди та описав їх у Philosophical Transactions 1798 року.

Встановлення

Крутильні ваги

Установка є дерев'яним коромисло з прикріпленими до його кінців невеликими свинцевими кулями. Воно підвішене на нитки зі срібної міді довжиною 1 м. До куль підносять кулі більшого розміру масою 159 кг, зроблені також із свинцю. Внаслідок дії гравітаційних сил коромисло закручується на якийсь кут. Жорсткість нитки була такою, що коромисло робило одне коливання за 15 хвилин. Кут повороту коромисла визначався за допомогою променя світла, пущеного на дзеркальце на коромислі, і відбитого мікроскоп. Знаючи пружні властивості нитки, а також кут повороту коромисла можна обчислити гравітаційну постійну.

Для запобігання конвекційним потокам установка була поміщена у вітрозахисну камеру. Кут відхилення вимірювався з допомогою телескопа.

Списавши закручування нитки на магнітну взаємодію залізного стрижня та свинцевих куль, Кавендіш замінив його мідним, отримавши ті самі результати.

Обчислене значення

В «Британіку»стверджується, що Г. Кавендіш набув значення G=6,754·10 -11 мі/(кг·сі) . Це ж стверджують Е. Р. Коен, К. Кроув та Дж. Дюмонд та А. Кук. .

Л. Купер у своєму двотомному підручнику фізики наводить інше значення: G=6.71·10 -11 мі/(кг·сі) .

О.П. Спиридонів - третє: G=(6.6±0.04)·10 -11 мі/(кг·сі) .

Однак у класичній роботі Кавендіша не було наведено жодного значення G. Він розрахував лише значення середньої щільностіЗемлі: 5.48 щільностей води(сучасне значення 5,52 г/смі). Висновок Кавендіша про те, що середня щільність планети 5,48 г/смі більша за поверхневу ~2 г/смі, підтвердив, що в глибинах зосереджені важкі речовини.

Гравітаційна стала була введена, мабуть, вперше тільки С. Д. Пуассоному «Трактаті з механіки» (1811) . Значення G було обчислено пізніше іншими вченими з даних досвіду Кавендіша. Хто вперше розрахував чисельне значення G, історикам невідомо.