Дисперсия света. Поглощение света - СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ - ОПТИКА

Во второй половине XIX в. Дж. Максвелл доказал, что свет — частный случай электромагнитных волн. Естественно, что свет обладает всеми свойствами волн, которые экспериментально наблюдаются. С новыми свойствами света связано много новых физических явлений. В целом волновая оптика существенно расширила представления о свете.

Самые трудные для изучения явления — интерференция и дифракция — рассматриваются в курсе дважды: сначала на примере механических волн, а затем световых. Для подчёркивания распространённости волн в природе и единства их свойств (и средств описания) целесообразно повторно рассмотреть интерференцию и дифракцию электромагнитных волн (глава VI, урок 4*).

Урок 1. Дисперсия света. Поглощение света

Задачи урока: изучить распространение световых волн в веществе на примере дисперсии и поглощения света; продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приёмы и методы
I. Изучение нового материала: определение, показ и объяснение дисперсии, поглощение света и цвета окружающих тел II. Самостоятельная работа по закреплению материала III. Подведение итогов урока IV. Домашнее задание	25—30 8—10 4—5 1—2	Рассказ учителя. Демонстрация опытов. Беседа по вопросам Решение задач. Консультация учителя и взаимопомощь Обобщение изученного материала по вопросам Запись на доске

I. Что такое свет? На этот вопрос постепенно учёные давали всё более точный ответ. В 1666 г. великий И. Ньютон провёл простой, но гениальный опыт. На трёхгранную призму он направил узкий световой пучок, на экране получилось световое пятно из семи цветов: фиолетового, синего, голубого, зелёного, жёлтого, оранжевого и красного (рис. 7.48 учебника). Волна одного цвета получила название монохроматической. Основной вывод из экспериментов был такой: белый свет как электромагнитная волна имеет сложное строение — состоит из семи монохроматических волн. Цветную картину на экране Ньютон назвал спектром. Ещё один вывод сам Ньютон сформулировал так: “Световые пучки, различающиеся по цвету, различаются по степени преломляемости”.

Явление разложения белого света на цвета, т. е. в спектр, получило название дисперсии. Какова же природа этого явления? Очевидно, что разложение света в спектр происходит из-за действия вещества на свет. Вспомним, что показатель преломления п вещества определяется по формуле

n = c/v.

Если свет разных цветов преломляется по-разному, что следует из опытов, то, значит, скорости монохроматических волн в веществе различны. Таким образом, для каждой монохроматической волны есть свой показатель преломления. Чем же различаются монохроматические волны? Они различаются частотой колебаний, следовательно, и длиной волны. Например, для красного цвета λ = 4 ∙ 10^-7 м, для фиолетового λ = 7 ∙ 10^-7 м. Итак, дисперсия света зависит от показателя преломления п вещества и от частоты v света.

Что же происходит на границе раздела двух сред? При переходе световой волны из воздуха в стекло скачкообразно изменяется её скорость, причём для волн разных частот по-разному. Одновременно также изменяется и длина каждой волны. Но частота колебаний в каждой из монохроматических волн остаётся постоянной. Разная скорость распространения монохроматических волн в веществе приводит к разному их преломлению на границе раздела двух сред (рис. 101). Пусть для примера на призму падает световой поток из волн красного и фиолетового цвета. Сначала фронт волн дойдёт до точки А, вторичные волны красного и фиолетового цвета будут распространяться с разной скоростью. За время t, которое потребуется свету, чтобы пройти расстояние СВ, фронт вторичных волн в призме уйдёт от точки А на разное расстояние (см. рис. 101). Естественно, огибающие вторичных волн будут разными — ВА_к и ВА_ф. Соответственно и лучи волн разного цвета будут идти в разных направлениях. Это значит, что показатель преломления зависит от частоты света.

Учитель кратко рассказывает об опыте Ньютона, показывает эксперимент (ДЭ-2, опыты 81, 82), обращает внимание школьников на рисунки учебника; в классе с хорошо подготовленными учащимися рассматривает природу дисперсии — взаимодействие световой волны с частицами вещества.

При распространении световых волн в веществе наблюдают ещё одно важное явление — поглощение света веществом. Его природа также заключается во взаимодействии световой волны с частицами вещества. Под действием световой волны, в которой напряжённость электрического поля изменяется периодически, электроны атомов или молекул начинают колебаться. Часть энергии колебаний излучается, часть превращается во внутреннюю энергию. Прозрачность тел зависит от степени поглощения световых волн, от избирательности в поглощении световых волн разной длины волны. Теоретический вывод можно иллюстрировать опытом со светофильтрами, опытами по предсказанию цвета разных тел при их освещении световыми волнами основных цветов.

II. Отработка знаний продолжается при решении задач, в том числе экспериментальных. Например, проводят эксперимент: наблюдение спектра от узкого светового пучка (солнечного света через щель в шторах, света лампы через экран с щелью) через грань стеклянной призмы. Обсуждают вопросы: какие волны больше всего преломляются при прохождении призмы? Чем это объяснить? За счёт чего происходит разложение белого света в спектр? Изменяется ли длина волны и частота колебаний в световом излучении при переходе волны в среду (см. рис. 101)? Изменяется ли длина волны фиолетового цвета при переходе из призмы в воздух (см. рис. 101)?

Один из школьников заранее готовит решение задачи.

Показатель преломления в стекле для красного света равен 1,6444, а для фиолетового — 1,6852. Определите разность углов преломления, если угол падения лучей 80°.

III. Вопросы для обобщения изученного материала: какие световые явления наблюдаются на границе раздела двух сред? Что при этом происходит с энергией световой волны? Какое явление называется дисперсией света? Каково значение опытов Ньютона?

Логика познания явления раскрывается с помощью таблицы 25.

Таблица 25

Дисперсия света

IV. Домашнее задание: § 53; Хрестоматия (с. 154—155); П., № 725.