§ 23. Світло як електромагнітне випромінювання та його хвильові властивості. Розкладання білого світла на кольори. Спектральний аналіз, спектроскоп

• Назад до змісту

ПОМІРКУЙТЕ І ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ

1. Як пояснити білий колір стіни в кімнаті?

Білий колір стіни пояснюється тим, що її поверхня практично повністю й однаково відбиває та розсіює світлові хвилі всіх довжин видимого спектра. Коли біле сонячне світло або світло від лампи потрапляє на стіну, матеріал не поглинає вибірково жоден колір, а відбиває всі компоненти разом, створюючи в нашому оці відчуття білого кольору.

2. Поясніть, чому ми бачимо тіла чорного кольору.

Тіла чорного кольору ми бачимо завдяки їхньому контрасту з іншими, більш освітленими навколишніми предметами. Чорна поверхня майже повністю поглинає все видиме світло, яке на неї падає, і практично не відбиває променів до нашого ока. Зоровий апарат фіксує відсутність світлового потоку від цього об’єкта на фоні світлішого оточення та сприймає його як чорний предмет.

ПОМІРКУЙТЕ І ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ

1. Якщо через червоний світлофільтр подивитися на траву, то вона буде чорного кольору. Чому?

Трава здається чорною, тому що світло від неї не проходить крізь фільтр і не досягає ока. Зелена трава відбиває лише зелені промені спектра, поглинаючи всі інші. Червоний світлофільтр пропускає крізь себе виключно червоне світло, а зелене повністю затримує і поглинає. Через це крізь скло до спостерігача світло не доходить, і поверхня здається чорною.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Які види електромагнітних хвиль межують зі світлом на шкалі електромагнітних хвиль?

З видимим світлом безпосередньо межують інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Видиме світло охоплює діапазон хвиль від $380\text{ нм}$ до $780\text{ нм}$. Біля довгохвильової червоної межі спектра (довжина хвилі понад $780\text{ нм}$) розташоване інфрачервоне випромінювання, а біля короткохвильової фіолетової межі (менше ніж $380\text{ нм}$) — ультрафіолетове.

2. З якими кольорами межує в спектрі жовте світло?

У суцільному видимому спектрі жовте світло межує з оранжевим і зеленим кольорами. Сім кольорів спектра розташовані у строгому порядку відповідно до зміни довжини хвилі: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. Жовтий колір розміщений безпосередньо між оранжевим та зеленим.

3. На білому аркуші паперу червоними літерами написано «9 клас». Якого кольору і на якому тлі буде напис, якщо на нього дивитися через синій світлофільтр? Через зелений світлофільтр?

Через синій світлофільтр напис буде чорним на синьому тлі, а через зелений — чорним на зеленому тлі.

Білий папір відбиває всі промені видимого світла, тому крізь синій фільтр він сприймається синім, а крізь зелений — зеленим. Червоні літери відбивають лише червоні світлові хвилі. Синій та зелений фільтри не пропускають червоне світло і поглинають його. Від літер світло в око не надходить, тому на кольоровому тлі паперу напис здається чорним.

4. Який світлофільтр потрібно використати, щоб напис у задачі № 3 став невидимим?

Потрібно використати червоний світлофільтр.

Червоні літери відбивають червоне світло і крізь такий самий фільтр виглядають червоними. Білий аркуш паперу відбиває всі кольори, але червоний фільтр пропускає тільки червону частину спектра, забарвлюючи тло аркуша в червоний колір. Червоний напис на червоному тлі повністю зливається і стає непомітним для ока.

5. Виконайте експериментальне завдання на тему «Дослідження явища дифракції світла», дотримуючись алгоритму дій. Для виконання завдання використайте запалену свічку, прозору капронову стрічку або тканину, кольорові олівці, аркуш паперу.

Експериментальне завдання: «Дослідження явища дифракції світла»

Мета дослідження: спостерегти явище дифракції світла під час його проходження крізь дрібну сітчасту структуру капронової тканини та дослідити утворену картину.

Опис спостережуваної картини: дивлячись на полум’я свічки крізь тонку капронову тканину, навколо центрального джерела світла видно правильний хрестоподібний візерунок із райдужними смугами, витягнутими вздовж ліній переплетення ниток.

Ширина смуг та розподіл кольорів: у міру віддалення від центральної плями ширина райдужних смуг збільшується, а їхня яскравість плавно слабшає. У кожній спектральній смужці кольори змінюються від фіолетового (ближче до центру) до червоного (на зовнішньому краї).

Кількість спектральних смуг: в обох перпендикулярних напрямках добре помітні яскраві смуги 1-го порядку та більш розмиті смуги 2-го порядку дифракції.

Малюнок спостережуваної картини:

Висновки: переплетення ниток капрону діє як двовимірна дифракційна ґратка. Світлові хвилі огинають мікроскопічні волокна та інтерферують між собою. Оскільки червоне світло має більшу довжину хвилі, ніж фіолетове, воно відхиляється сильніше, через що біле світло розкладається в спектр від фіолетового до червоного кольору.

ЗДІЙСНІТЬ САМОПЕРЕВІРКУ

Здійсніть самоперевірку (https://9klas.academiabook.club/fizyka/f-s4)

Для виконання завдань самоперевірки перейдіть за адресою або скористайтеся QR-кодом зі сторінки 154 книги. Тематичні інтерактивні тести допоможуть повторити основні питання розділу «Світлові явища»: закони прямолінійного поширення, відбивання, заломлення світла, побудову зображень у дзеркалах і лінзах, а також хвильові властивості світлових хвиль.

ПРОЄКТ

Виконайте проєкт, дотримуючись алгоритму (додаток 1). Орієнтовні теми проєктів: • Від свічки до енергозберігальної лампи. • Історія виготовлення дзеркал. • Світ без світла — життя в темряві. • Оптичні явища в природі.

Навчальний проєкт на тему: «Оптичні явища в природі»

Мета проєкту: дослідити фізичні причини найвідоміших оптичних явищ у природі (веселка, гало, міражі, переливчасте забарвлення крил комах) на основі законів геометричної та хвильової оптики.

Основні оптичні явища та їх пояснення:

• Веселка: виникає після дощу через дисперсію та внутрішнє відбивання сонячного світла всередині водяних крапель. Промені різного кольору заломлюються під різними кутами, утворюючи на небі різнокольорову дугу.
• Гало та вінці: світлі кільця навколо Сонця або Місяця. Гало утворюється внаслідок заломлення і відбивання світла в кристаликах льоду у високих перистих хмарах, а менші за розміром вінці виникають через дифракцію світла на дрібних краплях туману чи хмар.
• Міражі: виникають через викривлення променів світла під час проходження через шари повітря з різною температурою та густиною над розігрітим асфальтом або піском.
• Райдужне забарвлення комах: металевий відблиск крил метеликів і панцирів жуків пояснюється інтерференцією світла в тонких прозорих лусочках хітину, а не наявністю барвника.

Практичне моделювання дисперсії:
У посудину з водою помістили плоске дзеркало під кутом близько $30^\circ$ і спрямували на нього вузький пучок білого світла ліхтарика. Водяний клин діє подібно до скляної призми: заломлюючись і відбиваючись від дзеркала, світло розкладається на сім кольорів спектра на білому аркуші паперу.

Висновок: природні оптичні явища наочно доводять хвильову природу світла та закони його поширення. Розуміння цих процесів дало змогу людині створити сучасні оптичні прилади, спектроскопи та безпечні світлофільтри.