Рис.3. Разложение света призмой в спектр

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Ф.М. ДОСТОЕВСКОГО

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

Учебно-методическое пособие по курсам «Оптика» и «Общий физический практикум»

Омск

2019

 

Рецензенты:

 

К.ф.-м.н. Н.А. Давлеткильдеев (КНИОРП ОНЦ СО РАН)

К.ф.-м.н., Г.М. Серопян (ФГБОУ ВО ОмГУ им. Ф.М. Достоевского)

 

Дисперсия света: учебно-методическое пособие по курсам «Оптика и «Общий физический практикум»/ авт.: Б.Т. Байсова, Л.В. Баранова.– Омск: изд-во Ом.гос.ун-та, 2019.–43 с.

 

 

В пособии представлены краткие теоретические сведения по разделу волновой оптики «Дисперсия света», обеспечивающие выполнение цикла лабораторных работ. Пособие также включает в себя лабораторный практикум и представляет собой самостоятельное руководство к лабораторным занятиям для студентов физического факультета. Практикум содержит описание выполнения четырех лабораторных работ по курсам «Оптика» и «Общий физический практикум».

Предназначено для обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 03.03.02 «Физика», 03.03.03 «Радиофизика». 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………………4

ГЛАВА 1. Основные теоретические сведения……………………...…………..5

1.1. Дисперсия света……………………………………………………..…….…5

1.2. Классическая электронная теория дисперсии…………………...…………8

1.3. Средняя дисперсия. Число Аббе………………………………………...….11

1.4. Зависимость показателя преломления газов от давления…………….......11

1.5. Поглощение света. Закон Бугера …………………………….…….………12

ГЛАВА 2. Лабораторный практикум…………..……………………………....14

2.1. Определение дисперсии стеклянной призмы с помощью гониометра.….14

2.2. Определение показателей преломления жидкостей……………………....22

2.3. Изучение зависимости показателя преломления воздуха от давления….34

2.4. Исследование спектров пропускания светофильтров……………….……38

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………..………………..…43

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью настоящего учебно-методического пособия является ознакомление студентов с основными теоретическими сведениями по теме «Дисперсия света» с последующим закреплением теории на практике при выполнении цикла лабораторных работ.

Пособие способствует формированию у студентов практических навыков работы на оптическом оборудовании с возможностью наглядного наблюдения изучаемых явлений с последующим оформлением результатов эксперимента.   

В первой главе изложены краткие теоретические сведения. В представленном теоретическом материале рассмотрена классическая электронная теория дисперсии света, описано явления поглощения света веществом, представлена функциональная зависимость показателя преломления газов от давления, даны оптические характеристики вещества (число Аббе, средняя дисперсия). Во второй главе представлен лабораторный практикум, включающий четыре работы: «Определение дисперсии стеклянной призмы с помощью гониометра», «Определение показателей преломления жидкостей», «Изучение зависимости показателя преломления воздуха от давления», «Исследование спектров пропускания светофильтров». По каждой работе представлены методические указания о порядке ее выполнения, описание лабораторных установок, а также перечень контрольных вопросов и список рекомендуемой литературы.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Дисперсия света

Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости света в среде от его частоты .Так как , то дисперсией света можно назвать также зависимость показателя преломления  среды от частоты  световой волны:

(1)

Наиболее отчетливо дисперсия света проявляется при прохождении белого света через призму. За призмой лучи белого света окажутся разложенными на составляющие цвета - в спектр (рис.1). Полученный спектр называют призматическим, в отличие от дифракционного спектра, даваемого дифракционной решеткой. Это явление впервые наблюдал И. Ньютон (1666 г.).

 

Рис.1. Прохождение белого света через призму

Фиолетовые волны преломляются сильнее красных, т.к. длина волны красных волн больше, чем у фиолетовых, а частота, соответственно, меньше, то показатель преломления красных волн будет меньше, чем у фиолетовых.

Дисперсия света называется нормальной, если показатель преломления монотонно убывает с увеличением длины волны (возрастает с увеличением частоты):

(2)

В случае дисперсия, если   дисперсия света называется аномальной (рис.2.).

Схема опыта Ньютона изображена на рис. 1. Он обнаружил, что узкий солнечный луч при прохождении через стеклянную призму разлагается на отдельные цветные лучи, в результате чего на экране, помещенном позади призмы, получается цветная радужная полоска с постепенным переходом цветов от красного до фиолетового цвета (рис. 3). Выделив в этой полосе семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый, Ньютон назвал её спектром (от латинского spectrum – видимое).

 

 

Рис.2. Зависимость показателя преломления от длины волны

Рис.3. Разложение света призмой в спектр

Чтобы найти причину появления спектра, Ньютон поставил опыт, в котором солнечный луч сначала проходил через красное стекло, а потом через призму. В этом случае на экране за призмой появлялось только красное пятно, расположенное в том же месте, где в спектре была красная полоса. Аналогичные результаты Ньютон получил, пропуская солнечный свет через стёкла различного цвета, что привело его к следующим двум важным выводам, которые в современной интерпретации можно сформулировать как:

(1) белый солнечный свет состоит из лучей различных цветов, и только определённое соотношение между ними создаёт у нас впечатление белого цвета,

и (2) стекло для лучей, отличающихся по цвету, имеет разные показатели преломления.

Зависимость показателя преломления от цвета лучей была названа Ньютоном дисперсией света. Слово «дисперсия» в переводе с латыни означает разложение или рассеяние.

Во времена Ньютона ещё не было известно, что свет – это электромагнитные волны, а различные цвета световых лучей соответствуют электромагнитным волнам разной длины волны. В настоящее время установлено, что диапазон волн с длиной волны от 630 до 760 нм воспринимается нами как красный, от 590 до 620 нм – как оранжевый, от 565 до 590 нм – как жёлтый; от 500 до 565 нм – как зелёный, от 485 до 500 нм – как голубой, от 440 до 485 нм – как синий и от 380 до 440 нм – как фиолетовый. Следует отметить, что границы между перечисленными диапазонами довольно условны, так как оттенки соседних цветов трудно различимы.

Считая свет электромагнитными волнами с длиной волны, лежащей в диапазоне между 380 и 760 нм, можно дать современную интерпретацию дисперсии, открытой Ньютоном. Дисперсия – это зависимость показателя преломления света от его длины волны.

Самые различные цвета можно получить, сложив лучи трёх разных цветов, например, красного, зелёного и синего, перекрещивая их на каком-либо экране. Если интенсивность лучей изменять независимо друг от друга то в месте их пересечения образуются области, окрашенные в любые оттенки всевозможных цветов.

Наша способность различать цвета объясняется тем, что в сетчатке глаза человека находятся три типа клеток (колбочек), обладающих избирательной чувствительностью к электромагнитным волнам различной длины волны. Одни из них особо чувствительны к красному цвету, другие – к зелёному, а третьи – к синему цвету. В результате, наш глаз способен различать самые различные оттенки всех цветов.

Цвета предметов зависят от того, электромагнитные волны какой длины волны они отражают. Например, кожура помидора отражает только свет с длиной волны, соответствующей красному цвету, а листья – только лучи зелёного цвета. Поэтому, если осветить помидор только синими лучами света, то он станет чёрным.

Согласно электронной теории дисперсии луч белого света «раскачивает» электроны в атомах, причем сильнее всего «раскачивает» в том случае, когда частота световой волны близка к собственной частоте колебаний электрона в среде , т.е. в случае резонанса.

Степень взаимодействия света с веществом, а, следовательно, и скорость распространения света зависит от близости к резонансу, т.е. от , а также от параметра - характеризующего затухание свободных колебаний электрона.

Согласно электронной теории дисперсии справедлива следующая приближенная формула для показателя преломления

(3)

где , где  - концентрация атомов; ,  заряд и масса электрона.

На рис. 4  приведен график зависимости  от  при  (штриховая линия) и с учетом (сплошная линия).

Области А и С для которых с увеличением частоты  показатель преломления возрастает, называются областями нормальной дисперсии, т.е. для них

или (4)

Область В, для которой с увеличением частоты  показатель преломления уменьшается называется областью аномальной дисперсии, т.е. для нее

или (5)

В области аномальной дисперсии поглощение света очень велико.

 

Рис. 4. Зависимость показателя преломления от частоты