Esperienza di dispersione della luce

Scenario dell'esperimento

"Decomposizione della luce bianca in uno spettro"

Lo scopo dell'esperimento: formare negli studenti un'unica idea completa della natura fisica del fenomeno della dispersione della luce, considerare le condizioni per il verificarsi di un arcobaleno.

Compiti:

• utilizzando i metodi della conoscenza scientifica, spiegare la natura dello spettro di dispersione, applicare le conoscenze acquisite per spiegare i fenomeni ottici atmosferici;
• formare capacità di ricerca: ottenere il fenomeno della dispersione, stabilire relazioni causali tra fatti, avanzare ipotesi, giustificarle e verificarne l'attendibilità;
• formare qualità empatiche degli studenti attraverso metodi euristici di lavoro, realizzare i bisogni di un adolescente nella comunicazione, promuovere lo sviluppo delle qualità di cooperazione, motivazione nello studio della fisica;

Esperienza di equipaggiamento:

• Attrezzatura: attrezzatura dimostrativa per l'ottica ondulatoria, strumento per la dimostrazione di arcobaleni in condizioni di laboratorio.
• Esperimenti dimostrativi e osservazioni pratiche: esperimento sulla dispersione della luce con prismi, esercitazione "Osservazione della dispersione della luce", indecomponibilità nello spettro della luce monocromatica, aggiunta di colori spettrali.

Scopo pratico dell'esperimento: contribuisce allo sviluppo delle abilità nel lavorare con le apparecchiature - per ottenere e studiare lo spettro di dispersione, contribuisce alla formazione di un'immagine olistica del mondo, per migliorare le capacità di esprimere la propria opinione, parlare in pubblico, lavorare con un pubblico e applicare le conoscenze teoriche ottenute nella spiegazione dei fenomeni naturali.
L'esperienza è parte integrante del lavoro sull'auto-miglioramento delle competenze dello studente, perché gli studenti nella loro materia "Portfolio" segneranno i loro successi e risultati, saranno in grado di analizzare le loro attività in un evento aperto.

Apparato concettuale: rifrazione, velocità della luce, dispersione, spettro, ordine dei colori nello spettro, onda monocromatica.

Sperimentare

Posizionare il prisma in modo che un raggio di luce cada su una delle sue facce. Per ottenere un raggio di luce diretto da una lampada a incandescenza, tra il prisma e la lampada viene installato uno schermo con una fessura stretta. Come risultato del passaggio del raggio attraverso il prisma, subisce una serie di rifrazioni, perché passa attraverso supporti con diversa densità ottica. E all'uscita dal prisma, il raggio viene scomposto in uno spettro, che seguiamo su uno schermo installato dietro il prisma. Per comodità dell'esperimento, il laboratorio dovrebbe essere buio.

Se sul percorso del raggio tra il prisma e la stretta fenditura posizioniamo un filtro luminoso, ad esempio un filtro rosso, allora non vedremo la decomposizione della luce rossa, perché monocromatico chiaro

Motivazione cognitiva

- Come puoi spiegare l'incredibile varietà di colori in natura? Voglio invitarti ad ascoltare una poesia di F.I. Tyutchev:

Com'è inaspettato e luminoso
Sul cielo blu umido
Arco aereo eretto
Nella tua celebrazione momentanea!
Ho bloccato un'estremità nel bosco,
Ha abbracciato metà del cielo
Ed ero esausto in altezza.

- Quale fenomeno è descritto in questi versi poetici? (Arcobaleno)

- Fino al 1666 si credeva che il colore fosse una proprietà del corpo stesso. Sin dai tempi antichi, è stata osservata la separazione dei colori dell'arcobaleno ed è noto che la formazione di un arcobaleno è associata all'illuminazione delle gocce di pioggia. C'è una convinzione: chi passa sotto l'arcobaleno rimarrà felice per tutta la vita. È una favola o una realtà? Puoi camminare sotto un arcobaleno ed essere FELICE? Uno straordinario fenomeno fisico aiuterà a capirlo, grazie al quale puoi vedere il nostro mondo intorno a noi a colori. Perché possiamo vedere bellissimi fiori, colori incredibili di dipinti di artisti: perché il mondo ci offre un'intera gamma di paesaggi di diversa bellezza e originalità? Questo fenomeno è la dispersione. Proviamo a formulare il nome dell'esperienza. (Gli studenti suggeriscono diverse varianti di nomi)

Obbiettivo: studia la varianza e scopri le ragioni della comparsa dell'arcobaleno.

Compiti:

• scoprire cos'è la varianza;
• storia della scoperta della dispersione;
• spiegare le ragioni della comparsa della varianza;
• condurre un esperimento per ottenere una dispersione;
• considera un fenomeno naturale: un arcobaleno.

Ipotesi: se conosci il fenomeno della dispersione, puoi spiegare i fenomeni naturali e ottenere un arcobaleno in condizioni di laboratorio. Ogni ricerca implica la scelta di un oggetto e oggetto di ricerca

Oggetto di studio: onde luminose, dispersione

Materia di studio: Arcobaleno

La dispersione suona alla grande,
Il fenomeno stesso è bello,
Ci è vicino e familiare fin dall'infanzia,
L'abbiamo guardato centinaia di volte!

I. Esperimenti di Newton sulla dispersione

Il fenomeno della dispersione è stato scoperto da I. Newton ed è considerato uno dei suoi successi più importanti. "Ha studiato la differenza tra i raggi di luce e le risultanti diverse proprietà dei colori che nessuno aveva sospettato in precedenza". Circa 300 anni fa, Isaac Newton ha inviato i raggi del sole attraverso un prisma. Non per niente sul suo monumento funerario, eretto nel 1731 e decorato con figure di giovani che reggono gli emblemi delle sue scoperte più importanti, una figura regge un prisma, e l'iscrizione sul monumento riporta le parole: “Investigò la differenza tra i raggi luminosi e le varie proprietà si manifestava contemporaneamente, cosa che nessuno aveva sospettato in precedenza." Ha scoperto che la luce bianca è "una meravigliosa miscela di colori".
Allora cosa ha fatto Newton? Ripetiamo l'esperimento di Newton.
Se osservi attentamente il passaggio della luce attraverso un prisma triangolare, puoi vedere che la decomposizione della luce bianca inizia non appena la luce passa dall'aria al vetro. Negli esperimenti descritti è stato utilizzato un prisma di vetro. Invece del vetro, puoi portare alla luce altri materiali trasparenti. È notevole che questa esperienza sia sopravvissuta per secoli e che la sua metodologia sia ancora utilizzata senza cambiamenti significativi.

Mostra uno spettro continuo di luce bianca

Prima di comprendere l'essenza di questo fenomeno, ricordiamo la rifrazione delle onde luminose.

- Qual è la particolarità di far passare un raggio di luce attraverso un prisma?
1 Conclusione di Newton: la luce ha una struttura complessa, ad es. la luce bianca contiene onde elettromagnetiche di frequenze diverse.
2 Conclusione di Newton: la luce di diversi colori differisce nel grado di rifrazione, ad es. caratterizzato da diversi indici di rifrazione in un dato ambiente.

I raggi viola sono più fortemente rifratti, quelli rossi meno di tutti.
L'insieme delle immagini a colori della fenditura sullo schermo è continuo spettro... Isaac Newton ha identificato condizionatamente sette colori primari nello spettro:
L'ordine dei colori è facile da ricordare dall'abbreviazione delle parole: ogni cacciatore vuole sapere dov'è seduto il fagiano... Non c'è un confine netto tra i colori.
Colori diversi corrispondono a lunghezze d'onda diverse. Non esiste una lunghezza d'onda specifica per la luce bianca. Tuttavia, i confini delle gamme della luce bianca e dei suoi colori costituenti sono generalmente caratterizzati dalle loro lunghezze d'onda nel vuoto. Quindi, la luce bianca è una luce complessa, un insieme di lunghezze d'onda da 380 a 760 nm.

Conclusioni degli esperimenti:

• La velocità della luce dipende dall'ambiente.
• Il prisma scompone la luce.
• La luce bianca è una luce complessa composta da onde luminose di vari colori.

Produzione: quando la luce passa attraverso una sostanza avente un angolo di rifrazione, la luce viene scomposta in colori.

Produzione: Nella materia, la velocità di propagazione della radiazione a lunghezza d'onda corta è inferiore a quella della radiazione a lunghezza d'onda lunga. Ciò significa che l'indice di rifrazione per la luce viola è maggiore di quello per il rosso.
Il meccanismo di dispersione è spiegato come segue. Un'onda elettromagnetica eccita vibrazioni forzate di elettroni negli atomi e molecole in una sostanza. Poiché la dispersione si verifica a causa dell'interazione delle particelle di una sostanza con un'onda luminosa, questo fenomeno è associato all'assorbimento della luce - la conversione dell'energia di un'onda elettromagnetica nell'energia interna di una sostanza.
La separazione dei colori in un raggio di luce bianca si verifica a causa del fatto che onde di diverse lunghezze d'onda vengono rifratte o disperse dalla materia in modi diversi. Arcobaleno: separazione della luce quando viene rifratta da gocce d'acqua.
Il massimo assorbimento di energia si verifica alla risonanza, quando la frequenza v la luce incidente è v vibrazioni degli atomi. Ancora una volta richiamiamo l'attenzione degli studenti sul fatto che quando un'onda passa da un mezzo all'altro, cambiano sia la velocità che la lunghezza d'onda, ma la frequenza delle oscillazioni rimane invariata.

Gioco "Finisci la frase"

• Il prisma non cambia la luce, ma solo... (si decompone)
• La luce bianca come onda elettromagnetica è composta da ... (sette colori)
• Rifrange più fortemente ... (luce viola)
• Meno rifrazione ... (luce rossa)

Temi di discussione:

• Come si può osservare il fenomeno della dispersione della luce?
• Cosa spiega la scomposizione del bianco in fasci colorati?
• Un raggio di luce rossa viene diretto su un prisma di vetro. Questa luce si decomporrà in raggi colorati?
• Si osserva dispersione di luce quando si attraversa il vuoto?
• Si osserverà la dispersione se la luce passa da un mezzo all'altro, entrambi i mezzi hanno gli stessi indici di rifrazione?

Continuiamo lo studio dei fenomeni luminosi usando l'arcobaleno come esempio.

L'arcobaleno è "creato" da gocce d'acqua: nel cielo - piogge, sull'asfalto versato - goccioline, schizzi da un getto d'acqua. Tuttavia, non tutti sanno esattamente come la rifrazione della luce sulle gocce di pioggia porti alla comparsa di un gigantesco arco multicolore nel cielo. L'arcobaleno luminoso che si verifica dopo le piogge o negli spruzzi di una cascata è l'arcobaleno primario. Le strisce colorate differiscono notevolmente in luminosità, ma l'ordine è sempre lo stesso: c'è sempre una striscia viola all'interno dell'arco, che diventa blu, verde, gialla, arancione e rossa - all'esterno dell'arcobaleno. Sopra il primo, nel cielo, appare un secondo arco, meno luminoso, in cui le strisce colorate sono disposte in ordine inverso.

Nel 1704 fu pubblicata la famosa opera di Isaac Newton (1642-1727) "Optics", in cui fu descritto per la prima volta un metodo sperimentale per studiare la visione dei colori. Si chiama metodo additivo di miscelazione del colore e i risultati ottenuti con questo metodo hanno posto le basi per la scienza sperimentale del colore.

Così, Newton dimostrò che i colori non sono formati da un prisma, ma...! E qui è necessario fermarsi un minuto, perché fino ad ora ci sono stati esperimenti fisici con la luce e solo qui iniziano gli esperimenti sulla miscelazione dei colori. Quindi, sette raggi colorati mescolati insieme danno un raggio bianco, il che significa che è stata la composizione della luce a far apparire il colore, ma dove vanno dopo la miscelazione? Perché, non importa come guardi la luce bianca, non c'è traccia dei raggi colorati che la compongono?

Fu questo fenomeno, che avrebbe permesso di formulare una delle leggi della miscelazione dei colori, che portò Newton a sviluppare un metodo per mescolare i colori. Facendo nuovamente riferimento alla Fig. 1.1. Invece dello schermo solido 1, mettiamo un altro schermo 1, in cui vengono praticati dei fori in modo che passi solo una parte dei raggi (due, tre o quattro dei sette) e il resto sia oscurato da partizioni opache. Ed è qui che iniziano i miracoli. Sullo schermo 2, i colori appaiono dal nulla e in modo sconosciuto. Ad esempio, abbiamo bloccato il percorso dei raggi viola, ciano, blu, giallo e arancione e abbiamo lasciato passare i raggi verde e rosso. Tuttavia, dopo aver attraversato l'obiettivo e aver raggiunto lo schermo 2, questi raggi sono scomparsi, ma è apparso invece il giallo. Se osserviamo lo schermo 1, siamo convinti che il raggio giallo sia ritardato da questo schermo e non possa raggiungere lo schermo 2, ma ciò nonostante lo stesso colore giallo viene visualizzato sullo schermo 2. Da dove viene?

Gli stessi miracoli accadono se fermi tutti i raggi tranne il blu e l'arancione. Di nuovo, i raggi originali scompariranno e apparirà la luce bianca, come se non fosse composta da due raggi, ma da sette. Ma il fenomeno più sorprendente si verifica quando vengono saltati solo i raggi estremi dello spettro - viola e rosso. Un colore completamente nuovo appare sullo schermo 2, che non era tra i sette colori originali, né tra le altre combinazioni: magenta.

Questi sorprendenti fenomeni fecero sì che Newton osservasse da vicino i raggi dello spettro e le loro varie miscele. Se osserviamo la serie spettrale, vedremo che i singoli componenti dello spettro non sono separati l'uno dall'altro da un bordo netto, ma si fondono gradualmente l'uno nell'altro in modo che i raggi vicini nello spettro sembrino più simili tra loro di quelli lontani. E qui Newton scoprì un altro fenomeno.

Si scopre che per il raggio viola estremo dello spettro, i colori più vicini non sono solo il blu, ma anche il magenta non spettrale. E questo stesso magenta, insieme all'arancione, costituisce una coppia di colori vicini per il raggio rosso estremo dello spettro. Cioè, se disponi i colori dello spettro e della miscela in base alla loro somiglianza percepita, allora non formano una linea, come uno spettro, ma un circolo vizioso (Fig. 1.2), in modo che il più diverso nella posizione in lo spettro delle radiazioni, cioè i raggi fisicamente più diversi, saranno di colore molto simile.

“Quando parlo di luce e raggi come colori colorati o evocativi, va inteso che non parlo in senso filosofico, ma come dice la gente comune di questi concetti. In sostanza, i raggi non sono colorati; non hanno altro che una certa capacità e disposizione per evocare la sensazione di un colore o di un altro. Proprio come il suono... in ogni corpo che suona non c'è altro che movimento, che viene percepito dai sensi sotto forma di suono, quindi il colore di un oggetto non è altro che una predisposizione a riflettere questo o quel tipo di raggi per in misura maggiore rispetto ad altri. , il colore dei raggi è la loro predisposizione in un modo o nell'altro a influenzare i sensi e la loro sensazione assume la forma di fiori ”(Newton, 1704).

Considerando la relazione tra raggi luminosi di diversa composizione fisica e le sensazioni cromatiche che provocano, Newton è stato il primo a capire che il colore è un attributo della percezione, per cui è necessario un osservatore che possa percepire i raggi di luce e interpretarli come colori. La luce stessa non è più colorata delle onde radio o dei raggi X.

Così, Newton fu il primo a dimostrare sperimentalmente che il colore è una proprietà della nostra percezione, e la sua natura è nel dispositivo dei sensi, capace di interpretare in un certo modo l'effetto della radiazione elettromagnetica.

Ora sappiamo che Newton si sbagliava nell'assumere un meccanismo risonante per la generazione del colore (a differenza dell'udito, dove il primo stadio della trasformazione delle vibrazioni meccaniche in suono è compiuto proprio dal meccanismo risonante, la visione dei colori è organizzata in modo fondamentalmente diverso), ma per Per noi qualcos'altro è più importante, che Newton abbia identificato per primo una triade specifica: radiazione fisica - meccanismo fisiologico - fenomeno mentale, in cui il colore è determinato dall'interazione dei livelli fisiologico e psicologico. Pertanto, possiamo chiamare il punto di vista di Newton l'idea della natura psicofisiologica del colore.

Nel 1704 fu pubblicata la famosa opera di Isaac Newton (1642-1727) "Optics", in cui fu descritto per la prima volta un metodo sperimentale per studiare la visione dei colori. Si chiama metodo additivo di miscelazione del colore e i risultati ottenuti con questo metodo hanno posto le basi per la scienza sperimentale del colore.

Gli esperimenti di Newton sono descritti in molti manuali, quindi li considereremo solo in relazione alla questione della natura del colore. Riso. 1.1 è un diagramma della configurazione di Newton e illustra l'essenza degli esperimenti.

Se prendi uno spesso foglio di cartone bianco come schermo 1, dopo il passaggio del raggio del sole attraverso il prisma, lo schermo rifletterà il solito spettro di colori lineare. Per verificare l'ipotesi in cui sorgono raggi colorati - nella luce o in un prisma - Newton ha rimosso lo schermo 1 e ha passato i raggi spettrali sulla lente, che li ha nuovamente raccolti in un raggio sullo schermo 2, e questo raggio era incolore come la luce originale.

Così, Newton dimostrò che i colori non sono formati da un prisma, ma...! E qui è necessario fermarsi un minuto, perché fino ad ora ci sono stati esperimenti fisici con la luce e solo qui iniziano gli esperimenti sulla miscelazione dei colori. Quindi, sette raggi colorati mescolati insieme danno un raggio bianco, il che significa che è stata la composizione della luce a far apparire il colore, ma dove vanno dopo la miscelazione? Perché, non importa come guardi la luce bianca, non c'è traccia dei raggi colorati che la compongono? Fu questo fenomeno, che avrebbe permesso di formulare una delle leggi della miscelazione dei colori, che portò Newton a sviluppare un metodo per mescolare i colori. Facendo nuovamente riferimento alla Fig. 1.1. Invece di uno schermo solido 1, mettiamo un altro schermo 1, in cui vengono praticati dei fori in modo che solo una parte dei raggi (due, tre o quattro dei sette) passi e il resto sia ostruito

partizioni opache. Ed è qui che iniziano i miracoli. Sullo schermo 2, i colori appaiono dal nulla e in modo sconosciuto. Ad esempio, abbiamo bloccato il percorso dei raggi viola, ciano, blu, giallo e arancione e abbiamo lasciato passare i raggi verde e rosso. Tuttavia, dopo aver attraversato l'obiettivo e aver raggiunto lo schermo 2, questi raggi sono scomparsi, ma è apparso invece il giallo. Se osserviamo lo schermo 1, siamo convinti che il raggio giallo sia ritardato da questo schermo e non possa raggiungere lo schermo 2, ma ciò nonostante lo stesso colore giallo viene visualizzato sullo schermo 2.

Riso. 1.1. Schema del setup di Newton per la miscelazione additiva dei colori. I vari tipi di schermi utilizzati negli esperimenti sono mostrati in alto. La gamma di colori spettrali proiettata sullo schermo A1 è mostrata sul primo lato della rilegatura del libro

Da dove viene? Gli stessi miracoli accadono se fermi tutti i raggi tranne il blu e l'arancione. Di nuovo, i raggi originali scompariranno e apparirà la luce bianca, come se non fosse composta da due raggi, ma da sette. Ma il fenomeno più sorprendente si verifica quando vengono saltati solo i raggi estremi dello spettro - viola e rosso. Un colore completamente nuovo appare sullo schermo 2, che non era tra i sette colori originali, né tra le altre combinazioni: magenta.

Questi straordinari fenomeni fecero sì che Newton esaminasse attentamente i raggi dello spettro e le loro varie miscele. Se osserviamo da vicino la serie spettrale, vedremo che le singole componenti dello spettro non sono separate l'una dall'altra da un bordo netto, ma passano gradualmente l'una nell'altra in modo che le componenti vicine nello spettro

i raggi sembrano essere più simili tra loro di quelli lontani. E qui Newton scoprì un altro fenomeno. Si scopre che per il raggio viola estremo dello spettro, i colori più vicini non sono solo il blu, ma anche il magenta non spettrale. E questo stesso magenta, insieme all'arancione, costituisce una coppia di colori vicini per il raggio rosso estremo dello spettro. Cioè, se disponi i colori dello spettro e della miscela in base alla loro somiglianza percepita, allora non formano una linea, come uno spettro, ma un circolo vizioso (Fig. 1.2), in modo che il più diverso nella posizione in lo spettro delle radiazioni, cioè i raggi fisicamente più diversi, saranno di colore molto simile.

Riso. 1.2. La ruota dei colori di Newton. In contrasto con la scala fisica lineare, la forma chiusa del cerchio riflette la somiglianza soggettiva dei colori dello spettro, il che significa che la struttura fisica dello spettro e la struttura cromatica delle sensazioni sono fenomeni completamente diversi. E questa fu la principale conclusione che Newton trasse dai suoi esperimenti in ottica:

“Quando parlo di luce e raggi come colori colorati o evocativi, va inteso che non parlo in senso filosofico, ma come dice la gente comune di questi concetti. In sostanza, i raggi non sono colorati; non hanno altro che una certa capacità e disposizione per evocare la sensazione di un colore o di un altro. Proprio come il suono... in ogni corpo che suona non c'è altro che movimento, che viene percepito dai sensi sotto forma di suono, quindi il colore di un oggetto non è altro che una predisposizione a riflettere questo o quel tipo di raggi per in misura maggiore rispetto ad altri. , il colore dei raggi è la loro predisposizione in un modo o nell'altro a influenzare i sensi e la loro sensazione assume la forma di fiori ”(Newton, 1704).

Considerando la relazione tra raggi luminosi di diversa composizione fisica e le sensazioni cromatiche che provocano, Newton è stato il primo a capire che il colore è un attributo della percezione, per cui è necessario un osservatore che possa percepire i raggi di luce e interpretarli come colori. La luce stessa non è più colorata delle onde radio o dei raggi X.

Così, Newton fu il primo a dimostrare sperimentalmente che il colore è una proprietà della nostra percezione, e la sua natura è nel dispositivo dei sensi, capace di interpretare in un certo modo l'effetto della radiazione elettromagnetica. Poiché Newton era un sostenitore della teoria corpuscolare della luce, assunse che la trasformazione della radiazione elettromagnetica in

il colore viene prodotto dalla vibrazione delle fibre nervose, in modo che una certa combinazione di vibrazioni di fibre diverse provochi una certa sensazione di colore nel cervello. Ora sappiamo che Newton si sbagliava nell'assumere un meccanismo risonante per la generazione del colore (a differenza dell'udito, dove il primo stadio della trasformazione delle vibrazioni meccaniche in suono è effettuato proprio dal meccanismo risonante, la visione dei colori è organizzata in modo fondamentalmente diverso) , ma per noi qualcos'altro è più importante, che Newton abbia prima individuato una specifica triade: radiazione fisica - meccanismo fisiologico - fenomeno mentale, in cui il colore è determinato dall'interazione dei livelli fisiologico e psicologico. Pertanto, possiamo chiamare il punto di vista di Newton l'idea della natura psicofisiologica del colore.

Per la prima volta, l'esperimento sulla decomposizione della luce in uno spettro fu fatto da Isaac Newton nel 1666. Fece un piccolo foro nell'imposta della finestra e in una giornata di sole ricevette uno stretto raggio di luce, nel cui percorso pose un prisma di vetro triangolare. Il raggio vi si rifrangeva e sulla parete opposta apparve una striscia colorata, dove tutti i colori dell'arcobaleno erano disposti in un certo ordine: rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, azzurro e viola. Questa fascia di colore chiamata Newton spettro(dal latino "spettro" - visibile).

La più piccola deviazione dalla direzione iniziale di incidenza è vissuta dai raggi rossi e la più grande da quelli viola.

Dopo un tale esperimento, Newton fece prima conclusione: la scomposizione della luce bianca in uno spettro di colori significa che la luce bianca ha una struttura complessa, cioè è un composto, cioè una miscela di tutti i colori dell'arcobaleno.

Seconda conclusione Newton era quello la luce di diversi colori è caratterizzata da diversi indici di rifrazione in un determinato ambiente... Ciò significa che l'indice di rifrazione assoluto per i colori viola è superiore a quello per i rossi.

La dipendenza dell'indice di rifrazione della luce dai suoi colori chiamato Newton varianza(dalla parola latina dispersio - "dispersione").

Tuttavia, Newton era un sostenitore della teoria corpuscolare e non riusciva a spiegare il fenomeno della dispersione.

Dispersione della luce

Secondo la teoria delle onde i colori della luce sono determinati dalla frequenza dell'onda elettromagnetica che è luce. La luce rossa ha la frequenza più bassa e la luce viola ha la più alta. Sulla base degli esperimenti di Newton e sulla base della teoria ondulatoria della luce, segue la conclusione: l'indice di rifrazione della luce dipende dalla frequenza dell'onda luminosa.

Dispersione della luce- Questo è il fenomeno della decomposizione della luce in uno spettro dovuto alla dipendenza dell'indice di rifrazione assoluto del mezzo dalla frequenza dell'onda luminosa.

Cosa dipende da cosa.?

A differenti velocità di propagazione dell'onda corrispondono differenti indici di rifrazione assoluti del mezzo
.

Ciò significa che il raggio rosso viene rifratto meno a causa del fatto che ha la massima velocità nella sostanza e il raggio viola - il minimo.

Frequenza e lunghezza d'onda sono correlate

La formula mostra che la lunghezza d'onda è direttamente proporzionale alla velocità della luce e inversamente proporzionale alla frequenza. Quindi ne segue che la lunghezza d'onda è più lunga nell'ambiente in cui la velocità dell'onda è maggiore(a una data frequenza).

Si può vedere dalle formule che

Pertanto, si può sostenere che l'assoluto l'indice di rifrazione diminuisce di conseguenza all'aumento della lunghezza d'onda della luce e aumenta corrispondentemente ad una diminuzione della lunghezza d'onda dell'onda luminosa.

Quindi, durante il passaggio da un ambiente all'altro velocità propagazione di un'onda luminosa, che significa e la lunghezza d'onda cambia , un frequenza, che significa e il colore della luce rimane invariato .

Come fa l'occhio a distinguere i colori?

Sulla retina dell'occhio ci sono elementi sensibili alla luce - terminazioni nervose, che sono chiamate "barre" e "coni". I bastoncini distinguono solo la luce dall'oscurità. Esistono tre tipi di coni: sono convenzionalmente chiamati "rosso", "verde" e "blu". Perché i coni "rossi" sono più sensibili al rosso, il "verde" al verde e il "blu" al blu. E tutta la varietà di colori che vediamo è dovuta ai "segnali" inviati al cervello da soli tre tipi di coni.

Aggiunta di colore

Sottrazione di colori

Intorno al 1666, Newton fece il seguente esperimento semplice ma estremamente importante (fig. 157): "Presi un pezzo di carta nera spessa e oblunga con lati paralleli e lo dividi in due metà uguali con una linea. Dipinsi una parte di rosso e l'altra blu. La carta era molto nera, i colori erano intensi e applicati in modo fitto in modo che il fenomeno potesse essere visto più chiaramente. Ho visto questa carta attraverso un prisma di vetro solido, i cui lati erano piatti e ben lucidati.

Esaminando la carta, tenni essa e il prisma davanti alla finestra.La parete della stanza dietro il prisma, sotto la finestra, era coperta da un panno nero nell'oscurità; quindi, la luce non potrebbe essere riflessa da essa, la quale, passando i bordi della carta nell'occhio, si mescolerebbe con la luce della carta e oscurerebbe il fenomeno. Avendo così disposto gli oggetti, ho riscontrato che nel caso in cui l'angolo di rifrazione del prisma è rivolto verso l'alto, in modo che la carta appaia sollevata per rifrazione (immagine), allora il lato blu si alza per rifrazione più alto del lato rosso.Se l'angolo di rifrazione del prisma è abbassato e la carta appare abbassata a causa della rifrazione (l'immagine quindi la parte blu sarà leggermente più bassa di quella rossa

Quindi, in entrambi i casi, la luce proveniente dalla metà blu della carta attraverso il prisma all'occhio, nelle stesse circostanze, subisce una rifrazione maggiore della luce proveniente dalla metà rossa. "

Da un punto di vista moderno, questo fenomeno è spiegato dal fatto che l'indice di rifrazione del vetro di cui è composto il prisma dipende dalla lunghezza d'onda della luce trasmessa. Il prisma rifrange raggi con lunghezze d'onda diverse in modi diversi. Il vetro ha un indice di rifrazione più elevato per i raggi blu rispetto a quelli rossi, cioè l'indice di rifrazione diminuisce all'aumentare della lunghezza d'onda.

Riso. 157. Schema dell'esperimento di Newton che prova l'esistenza della dispersione.

Newton descrive un secondo esperimento non meno importante nella stessa area. In una stanza completamente buia, fece un piccolo foro nell'imposta della finestra attraverso il quale passava un raggio di sole bianco (Fig. 158). Dopo essere passato attraverso il prisma, questo raggio ha dato un intero spettro colorato sul muro. Così, è stato dimostrato che la luce bianca è una miscela di colori e che questa miscela può essere scomposta in colori composti, sfruttando la differenza di rifrazione per raggi di colori diversi.

Tuttavia, non si dovrebbe pensare che la scoperta stessa dei colori prismatici appartenga a Newton. SI Vavilov, uno dei più sottili conoscitori di Newton, scrisse: “Newton non scoprì affatto i colori prismatici, come spesso scrivono e soprattutto dicono: erano conosciuti molto prima di lui, Leonardo da Vinci, Galileo e molti altri li conoscevano ; i prismi di vetro furono venduti nel XVII secolo. proprio per via dei colori prismatici." Il merito di Newton sta nel condurre esperimenti chiari e sottili che hanno chiarito la dipendenza dell'indice di rifrazione dal colore dei raggi (vedi, ad esempio, il primo esperimento).

La dipendenza dell'indice di rifrazione dalla lunghezza d'onda della luce trasmessa è chiamata dispersione della luce. Nella fig. 159 illustra le curve di dispersione per un certo numero di cristalli.

In pratica, la dispersione è caratterizzata dall'impostazione di una serie di valori dell'indice di rifrazione per diverse lunghezze d'onda corrispondenti alle righe scure di Fraunhofer nello spettro solare.

Nelle fabbriche ottiche sovietiche vengono solitamente utilizzati quattro valori dell'indice di rifrazione del vetro: l'indice di rifrazione per la luce rossa con una lunghezza d'onda di 656,3 nanometri per la luce gialla con una lunghezza d'onda per la luce blu con una lunghezza d'onda e - per la luce blu con una lunghezza d'onda

Riso. 158. Spettro di dispersione della luce bianca.

Riso. 159. Curve di dispersione di varie sostanze.

I vetri a basso peso specifico - corone - hanno meno dispersione, vetri pesanti - pietre focaie - più dispersione.

La tabella contiene dati numerici sulla dispersione dei vetri ottici sovietici e di alcuni corpi liquidi e cristallini.

(vedi scansione)

Dalle cifre riportate nella tabella derivano alcune conseguenze interessanti. Soffermiamoci su alcuni di essi. La dispersione colpisce nel caso più estremo solo nella variazione della seconda cifra decimale nel valore dell'indice di rifrazione. Allo stesso tempo, come vedremo in seguito, la dispersione gioca un ruolo colossale nel funzionamento degli strumenti ottici. Inoltre, sebbene la varianza sia grande come