§ 26. Дисперсія світла. Кольори

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

«Rainbow» — «дощова арка» — так англійською називають явище, зображене на заставці. Назва цілком логічна: веселка пов’язана з дощем і формою нагадує арку. Та українське слово «веселка» звучить ще влучніше — воно передає яскравість і красу цього природного видовища. Веселка здавна викликала позитивні емоції в людей. Її фізичну природу вивчали ще давні греки, а наукове пояснення дав Ісаак Ньютон. Ви, без сумніву, уже знайомі із цим явищем. Що вам відомо про веселку? Скільки вона має кольорів? Яка їх послідовність? Чи справді там, де веселка закінчується, можна знайти… скарб?

Веселка — це оптичне явище в атмосфері, яке виникає внаслідок заломлення, відбивання та розкладання сонячного світла в безлічі крапельок дощу. Традиційно у веселці виділяють сім основних кольорів, які плавно переходять один в один у такій послідовності: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. Червона смуга завжди розташована із зовнішнього боку дуги, а фіолетова — з внутрішнього.

Легенда про горщик із золотом на кінці веселки є лише гарною казкою. Оскільки веселка є оптичною ілюзією, положення якої залежить від розташування Сонця та спостерігача, у неї немає фізичного початку чи кінця. Під час наближення до уявного «краю» веселки вона просто зміщуватиметься разом зі спостерігачем, тому дійти до її краю або знайти там матеріальний скарб неможливо.

ДОСЛІДЖЕННЯ. Наповніть миску водою та поставте її коло білої стіни. Покладіть на дно миски дзеркальце й спрямуйте на нього пучок світла, орієнтуючись на підказки на рисунку щодо кутів нахилу. На стіні з’явиться кольоровий світловий зайчик. Поясніть спостережуване явище.

Під час цього досліду шар води між поверхнею та похилим дзеркалом утворює своєрідну водяну призму. Промінь білого світла, потрапляючи у воду, зазнає заломлення на межі поділу середовищ «повітря — вода», відбивається від плоского дзеркальця на дні та повторно заломлюється під час виходу з води в повітря.

Оскільки показник заломлення води залежить від довжини хвилі (кольору світла), промені різних кольорів відхиляються від свого початкового напрямку під різними кутами: фіолетові промені заломлюються найсильніше, а червоні — найменше. Відбувається дисперсія світла, внаслідок якої пучок білого світла розкладається в спектр, і на стіні утворюється різноколірна смужка.

А ЯК НАСПРАВДІ? Після уроку фізики Наталка показала однокласникам і однокласницям фото яскравої веселки, яке блогер виклав у мережі. «Яка неймовірна світлина!» — захоплено сказала Олена. — «Хотілося б і мені колись побачити таку красу». «Щось не сходиться, — засумнівався Ігор. — Де хмари й дощ? І якесь дивне розташування сонця…» А як насправді?

Сумніви Ігоря цілком виправдані з точки зору фізики. Для появи природної веселки в атмосфері одночасно необхідні дві умови: наявність крапель води в повітрі (дощ, туман або водяний пил від водоспаду чи фонтана) та яскраве сонячне світло. При цьому Сонце обов’язково має перебувати позаду спостерігача, а дощова хмара або водяна завіса — попереду. Якщо на фотографії Сонце світить в обличчя або знаходиться в тій самій зоні неба, що й веселка, а на небі немає жодної хмари чи джерела водяних крапель, ця світлина є штучно змонтованою або відредагованою за допомогою графічних редакторів чи нейромереж.

Як ви вважаєте, який колір переважно відбивають пелюстки соняшників? листя рослин?

Пелюстки соняшників переважно відбивають промені жовтої частини спектра, а решту кольорів сонячного світла поглинають, тому ми бачимо їх яскраво-жовтими. Листя рослин містить пігмент хлорофіл, який ефективно поглинає червону та синю частини спектра для процесу фотосинтезу, а зелене світло переважно відбиває, через що крони дерев і трава здаються нам зеленими.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Опишіть досліди І. Ньютона щодо встановлення спектрального складу світла.

У 1665 році Ісаак Ньютон спрямував вузький пучок сонячного світла через невеликий круглий отвір у віконниці на скляну призму. Пройшовши крізь призму, світло не просто відхилилося, а розширилося й утворило на протилежній стіні витягнуту смужку, забарвлену в усі кольори веселки — спектр. Далі вчений виділив із цього спектра вузький монохроматичний (одноколірний) пучок і спрямував його на другу призму: цей пучок відхилився, але вже не розкладався на інші кольори. Це неспростовно довело, що біле світло не є простим, а складається з багатьох кольорових променів, які призма не фарбує, а лише розділяє внаслідок різного заломлення.

2. Назвіть сім спектральних кольорів.

Сім традиційних спектральних кольорів розташовуються в строгому порядку за зменшенням довжини хвилі: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

3. Світло якого кольору найбільше заломлюється в речовині? найменше заломлюється?

Найбільше в прозорій речовині (наприклад, у склі чи воді) заломлюється світло фіолетового кольору, оскільки для нього середовище має найбільший показник заломлення. Найменше заломлюється світло червоного кольору, для якого показник заломлення речовини є найменшим.

4. Дайте означення дисперсії світла. Яке природне явище пов’язане з дисперсією?

Дисперсією світла називають явище розкладання білого світла в спектр, зумовлене залежністю показника заломлення середовища (а отже, і швидкості поширення хвилі в ньому) від кольору (частоти або довжини хвилі) світла. Найвідомішим та наймасштабнішим природним явищем, пов’язаним із дисперсією світла, є веселка.

5. Які кольори називають доповняльними?

Доповняльними називають такі пари спектральних кольорів, які в разі оптичного накладання один на одного утворюють білий колір. Прикладами таких пар є червоний і зеленувато-блакитний, жовтий і синій.

6. Назвіть три основні кольори спектра. Чому їх так називають?

Трьома основними спектральними кольорами є червоний, зелений і синій. Їх називають основними тому, що шляхом їх змішування в різних пропорціях можна отримати практично будь-який інший колір і відтінок, який здатне сприймати людське око, а також білий колір, тоді як самі ці три кольори неможливо отримати змішуванням жодних інших кольорів.

7. Чому навколишній світ ми бачимо різноколірним?

Ми бачимо навколишній світ різноколірним тому, що поверхні різних фізичних тіл мають неоднакову здатність відбивати, заломлювати та поглинати електромагнітні хвилі різних частот (кольорів), що входять до складу білого сонячного світла. Тіло здається нам того кольору, промені якого воно найбільше відбиває у наші очі, повністю або частково поглинаючи всі інші промені спектра.

ВПРАВА № 26

1. Світло яких кольорів проходить крізь синє скло? поглинається ним?

Крізь синє скло проходить переважно світло синього кольору (а також близькі до нього блакитні та фіолетові складові).

Світло всіх інших спектральних кольорів (червоного, оранжевого, жовтого, зеленого) майже повністю поглинається цим склом.

2. Якими здаватимуться чорні літери на білому папері, якщо дивитися на них крізь зелене скло? Яким при цьому здаватиметься колір паперу?

Зелене скло пропускає крізь себе тільки промені зеленого кольору, а всі інші поглинає. Чорні літери поглинають світло всіх кольорів, тому вони не відбивають жодних променів і крізь зелене скло залишатимуться чорними.

Білий папір відбиває промені всіх кольорів спектра. Проте зелене скло затримає червоні, сині та жовті промені й пропустить до нашого ока тільки зелену складову відбитого світла, тому білий папір здаватиметься зеленим.

3. Через скло якого кольору не можна побачити текст, написаний фіолетовим чорнилом на білому папері?

Текст не можна буде розгледіти, якщо дивитися на нього крізь скло фіолетового кольору.

Фіолетові літери відбивають промені фіолетового кольору, які без перешкод пройдуть крізь фіолетове скло до ока спостерігача. Білий аркуш паперу відбиває всі кольори спектра, але фіолетове скло поглине всі промені, крім фіолетових, і пропустить лише їх. У результаті і текст, і фоновий аркуш паперу здаватимуться однаково фіолетовими, контраст між ними повністю зникне, і напис стане невидимим.

4. У воді поширюються пучки світла червоного, оранжевого та блакитного кольорів. Швидкість поширення якого з пучків є найбільшою?

Швидкість поширення світла в середовищі визначається абсолютним показником заломлення цього середовища: $v = \dfrac{c}{n}$, де $c$ — швидкість світла у вакуумі, $n$ — показник заломлення води для даного кольору.

Внаслідок явища нормальної дисперсії показник заломлення води збільшується зі зменшенням довжини хвилі (зростанням частоти) світла. Тобто світло червоного кольору заломлюється найменше ($n_{\text{черв}}$ є найменшим серед наведених кольорів), а світло блакитного кольору — найбільше ($n_{\text{блак}}$ є найбільшим). Оскільки швидкість поширення обернено пропорційна показнику заломлення середовища, найменшому значенню $n$ відповідає найбільша швидкість хвилі.

Таким чином, у воді найбільшу швидкість поширення має пучок світла червоного кольору.

5. Існують мнемонічні правила для запам’ятовування послідовності кольорів веселки, як-от «Чапля Осінь Жде Завзято, Буде Сани Фарбувати». Наведіть кілька власних прикладів.

Перші літери слів у таких фразах відповідають початковим літерам семи кольорів спектра: Червоний, Оранжевий, Жовтий, Зелений, Блакитний, Синій, Фіолетовий.

Ось кілька поширених і легких для запам’ятовування українських варіантів:

«Чарівниця Осінь Жовтим Золотом Барвить Сумні Фарби».

«Чомусь Осінній Жук Завзято Бажає Спати Файного».

«Чоловік Охоче Жінці Закупив Багато Смачних Фруктів».

6. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, чому небо блакитне; чому Сонце під час заходу часто буває червоним.

Сонячне світло на шляху до поверхні Землі проходить крізь товщу атмосфери, яка складається з молекул газів (азоту, кисню) та мікрочастинок пилу. Відповідно до закону Релея, інтенсивність розсіювання світла на частинках, набагато менших за довжину хвилі, обернено пропорційна четвертому степеню довжини хвилі ($I \sim \dfrac{1}{\lambda^4}$). Це означає, що короткохвильові промені (сині, блакитні та фіолетові) розсіюються молекулами повітря в усіх напрямках у багато разів сильніше, ніж довгохвильові (червоні та оранжеві). Коли ми дивимося вгору вдень убік від Сонця, в наші очі потрапляє саме це розсіяне атмосферою короткохвильове випромінювання, через що небо має насичений блакитний колір.

Під час заходу або сходу Сонце знаходиться низько над горизонтом, тому сонячні промені долають значно довший шлях крізь атмосферу Землі, ніж удень. На такій великій відстані короткохвильова блакитно-синя частина спектра майже повністю розсіюється на всі боки й втрачається з прямого пучка. До ока спостерігача доходить лише довгохвильове світло червоно-оранжевого діапазону, яке розсіюється найменше і вільно проходить крізь густий шар повітря, через що забарвлює сонячний диск і небокрай у червоні та багряні тони.