§ 29. ДОСЛІДЖУЄМО ХВИЛЬОВІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА

• Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

1. Отримай веселку. Для цього тобі потрібні ванночка з водою, дзеркало, білий картон та ліхтарик. Спрямуй пучок світла ліхтарика на край дзеркала, занурений у воду. Спостерігай веселку на білому картоні (мал. 29.1).

На поверхні білого картону з’являється чітка райдужна смуга (спектр). Вода та похиле дзеркало разом утворюють оптичну систему, подібну до призми. Біле світло заломлюється на поверхні води, відбивається від дзеркала і знову заломлюється при виході в повітря. Світлові хвилі різних кольорів мають різну довжину, тому заломлюються під неоднаковими кутами і розкладаються у спектр.

2. Сховай веселку. Розфарбуй у кольори веселки картонне кружальце та настроми його на олівець (мал. 29.2). Обертай цю саморобну дзиґу. Спостерігай за зміною забарвлення.

При швидкому обертанні різнокольорової дзиґи кольорові сектори зливаються, а кружальце стає світло-сірим або брудно-білим. Це відбувається через інерційність людського зору. Зоровий апарат людини зберігає зображення кожного кольору приблизно $0{,}1\text{ с}$, тому зорові відчуття від усіх семи спектральних кольорів нашаровуються і сприймаються оком як біле світло.

ДІЗНАВАЙСЯ

Звідки беруться кольори?

Кольори є складовими частинами складного білого світла. Світло складається з електромагнітних хвиль різної довжини, і кожній довжині хвилі відповідає свій колір. У вакуумі всі вони поширюються з однаковою швидкістю, а в речовині швидкість поширення хвиль різної довжини є неоднаковою. Через це промені різних кольорів заломлюються по-різному і розділяються у просторі, утворюючи кольоровий спектр.

Розглянь малюнок 29.5. Як думаєш, чому в одному випадку в центрі білий колір, в іншому — чорний?

У моделі RGB світлові промені трьох основних кольорів — червоного, зеленого та синього — накладаються один на одного (адитивне змішування). Оптичне додавання всіх трьох базових кольорів однакової інтенсивності дає біле світло.

У моделі CMYK відбувається віднімальне (субтрактивне) змішування кольорів фарб. Фарби не випромінюють світло, а вибірково поглинають певні ділянки спектра. Накладання фарб блакитного, пурпурового та жовтого кольорів спричиняє поглинання всіх складових видимого світла, тому поверхня не відбиває жодного променя й око бачить у центрі чорний колір.

ДУМАЙ

1. Який висновок зробив І. Ньютон з дослідів із призмою?

Ісаак Ньютон з’ясував, що біле світло є складним і містить у собі пучки світла різних кольорів. Сама скляна призма не забарвлює промені, а лише розділяє їх через те, що хвилі різних кольорів заломлюються в склі під різними кутами.

2. Що таке спектр світла і як його отримати?

Спектр світла — це суцільна кольорова смуга, яка виникає після розкладання білого світла на окремі складові кольори: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. Отримати спектр можна за допомогою пропускання вузького пучка білого світла крізь скляну трикутну призму або відбивання світла від поверхні компакт-диска.

3. Які промені сильніше заломлюються у склі — червоні чи фіолетові?

У склі сильніше заломлюються фіолетові промені. Фіолетова світлова хвиля має найменшу швидкість поширення у склі, тому для неї абсолютний показник заломлення $n = \dfrac{c}{v}$ є найбільшим. Червоні промені мають найбільшу швидкість у середовищі та заломлюються найменше.

4. Що називають дисперсією?

Дисперсія — це фізичне явище залежності показника заломлення світла від його довжини хвилі (або кольору).

5. Яка фізична причина утворення веселки? Чому її видно лише при певному положенні Сонця?

Фізичною причиною виникнення веселки є явище дисперсії сонячного світла під час його заломлення та внутрішнього відбивання в краплинах дощу. Краплі води діють як маленькі призми й розкладають світло на кольори. Веселку видно вранці або ввечері, коли Сонце стоїть невисоко над горизонтом, а спостерігач розташований спиною до Сонця, адже промені мають увійти в краплі та вийти назад під кутом близько $42^\circ$ до ока спостерігача.

6. Чому на краях зображень у фотооб’єктивах іноді з’являються кольорові ореоли?

Кольорові ореоли виникають через явище дисперсії світла в матеріалі оптичних лінз — так звану хроматичну аберацію. Лінза сильніше заломлює фіолетові та сині промені, ніж червоні, тому світлові хвилі різного кольору не збираються в одній спільній точці фокуса. Це призводить до розмитості деталей та появи кольорового облямування на краях предметів.

7. Чому предмети мають різне забарвлення? Якщо освітити червоний предмет синім світлом, яким він здаватиметься? Поясни.

Забарвлення непрозорого предмета залежить від того, які хвилі світлового спектра його поверхня відбиває, а які поглинає. Червоний предмет відбиває виключно червоні хвилі й поглинає всі інші кольори. Якщо освітити його суто синім світлом, червона поверхня повністю поглине це випромінювання й не відіб’є жодного променя, тому предмет здаватиметься чорним.

8. У чому полягає різниця між інтерференцією та дифракцією?

Інтерференція — це явище накладання двох або кількох хвиль, у результаті якого виникає перерозподіл енергії з утворенням максимумів (посилення) та мінімумів (послаблення) світла.

Дифракція — це явище огинання світловими хвилями країв перешкод або відхилення світла від прямолінійного напрямку під час проходження крізь дуже малі отвори. Дифракція створює умови для відхилення хвилі, а накладання цих відхилених вторинних хвиль веде до виникнення інтерференційної картини.

9. Як можна довести хвильову природу світла за допомогою побутових предметів?

Хвильову природу світла доводять за допомогою таких дослідів:

• Освітлення поверхні компакт-диска: вузькі концентричні доріжки діють як дифракційна ґратка, на якій світло огинає нерівності й утворює райдужні відблиски.
• Спостереження мильної бульбашки або плівки олії на поверхні води: відбивання світла від передньої та задньої граней тонкої плівки веде до інтерференції світлових хвиль і утворення переливчастих кольорових візерунків.
• Погляд на нитку розжарення лампи або точкове джерело крізь дуже вузьку щілину між двома пальцями: на краях пальців світло відхиляється від прямолінійного шляху, утворюючи паралельні дифракційні смуги.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Створи порівняльну таблицю «Явище (дисперсія, інтерференція, дифракція) — причина — результат — приклад».

2. Утвори кольори. Обладнання: три ліхтарики, червоне, зелене й синє скельця, білий аркуш, фарби. Пропускай світло від ліхтариків крізь кольорові скельця. Опиши, які кольори утворюються на перетинах. Здійсни дослід із фарбами такого самого кольору. Які кольори утворилися цього разу?

1. Дослід із пучками світла від ліхтариків (адитивне змішування):

• На перетині червоного та зеленого світла утворюється жовтий колір.
• На перетині червоного та синього світла утворюється пурпуровий (маджента) колір.
• На перетині зеленого та синього світла утворюється блакитний (ціан) колір.
• У місці одночасного накладання всіх трьох пучків світла (червоного, зеленого та синього) утворюється пляма білого кольору.

2. Дослід зі змішуванням фарб (субтрактивне змішування):

• Змішування червоної та зеленої фарб утворює коричневий або брудно-сірий колір.
• Змішування червоної та синьої фарб утворює фіолетовий колір.
• Змішування зеленої та синьої фарб утворює синьо-зелений (морська хвиля) колір.
• Змішування всіх трьох фарб разом веде до взаємного поглинання всіх кольорових хвиль, тому суміш набуває темного (близького до чорного) кольору.

3. Теоретично рекомбінувати спектр у біле світло можна, якщо після призми, що розкладає біле світло у спектр, поставити таку саму призму, але перевернуту (мал. 29.8). Перевір це на досліді. Поясни отримані результати.

Експеримент підтверджує: пучок променів після проходження другої оберненої призми знову стає паралельним та однорідним білим світлом.

Перша скляна призма розкладає біле світло у спектр, бо фіолетові промені заломлюються найсильніше, а червоні — найслабше. Друга призма розташована протилежною основою догори й має точно таку саму форму. Вона повертає всі кольорові промені назад на ті самі кути. Відхилення компенсуються, окремі кольорові пучки знову поєднуються в один спільний потік, і людське око бачить первинне біле світло.

4. Спостерігай інтерференцію та дифракцію світла. Обладнання: ліхтарик, дві скляні пластинки, трубочка для коктейлю, стакан з розчином мила, кільце дротове з ручкою діаметром 30 мм, компакт-диск. Склади план спостереження. Проведи досліди. Презентуй результати.

План спостереження:

1. Отримати інтерференцію в повітряному прошарку між двома щільно стиснутими плоскими скляними пластинками.
2. Отримати інтерференцію світла на тонкій мильній плівці на дротовому кільці та на мильній бульбашці.
3. Дослідити дифракцію білого світла ліхтарика під час його відбивання від мікродоріжок компакт-диска.

Результати дослідів:

1. Коли дві скляні пластинки міцно стиснуті руками, між ними утворюється дуже тонкий повітряний клин змінної товщини. Світло відбивається від нижньої поверхні першого скла та від верхньої поверхні другого скла. Відбиті хвилі інтерферують між собою, тому на склі з’являються кольорові концентричні смуги або райдужні розводи (кільця Ньютона).
2. Після занурення дротового кільця в мильний розчин на ньому формується тонка вертикальна плівка. Рідина поступово стікає донизу, плівка набуває клиноподібної форми. Світлові хвилі відбиваються від її передньої та задньої меж і накладаються одна на одну. У місцях однакової фази виникають яскраві кольорові горизонтальні лінії. При видуванні бульбашки трубочкою стінки кулі теж мають мікроскопічну товщину і вкриваються рухливими райдужними візерунками.
3. Поверхня компакт-диска містить мікроскопічні концентричні доріжки для запису інформації. Ці нерівності діють як дифракційна ґратка. Світло від ліхтарика огинає краї доріжок, відхиляється від прямолінійного шляху та інтерферує. Білий промінь розкладається в райдужний дифракційний спектр високої чіткості.

5. Виконай завдання за симуляцією 29.6.

Для роботи використовуємо інтерактивну комп’ютерну модель PhET «Інтерференція хвиль» (вкладка «Світло» та «Дифракція»).

1. Дослідження інтерференції світла:

• У розділі «Інтерференція» вмикаємо два когерентні джерела монохроматичного світла (зелений колір, довжина хвилі $\lambda \approx 500\text{ нм}$).
• На екрані спостереження виникає чітка система смуг: центральна яскрава зелена смуга (головний максимум), темні проміжки (інтерференційні мінімуми) та бічні зелені максимуми.
• При зміні довжини хвилі на більшу (червоне світло) відстань між інтерференційними смугами на екрані збільшується. При переході до фіолетового світла смуги помітно зближуються.

2. Дослідження дифракції світла:

• У розділі «Дифракція» спрямовуємо світловий пучок на вузьку щілину.
• Після проходження вузького отвору світло перестає поширюватися строго прямо і розходиться півколом, утворюючи на дальньому екрані широку центральну світлу смугу та слабкі бічні смуги.
• При зменшенні ширини щілини кут дифракційного розходження зростає, а центральний дифракційний максимум на екрані стає ширшим, що наочно доводить хвильову природу світла.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Прочитай текст. Чи достовірна ця інформація? Обґрунтуй свою відповідь. Що тобі відомо ще про індиго?

Наведена інформація є історично та науково достовірною.

Обґрунтування:
Ісаак Ньютон був прихильником ідей гармонії Всесвіту і провів аналогію між оптикою та музикою. Ще у давній Греції Піфагор встановив математичні співвідношення довжин коливних струн для семи нот музичної октави. Дослідивши спектр, Ньютон спочатку виокремлював п’ять основних кольорів, проте задля гармонійного узгодження із семизвучною музичною гамою додав ще два. Оскільки слово blue в англійській мові позначає як синій, так і блакитний колір, Ньютон обрав термін indigo для найглибшого синьо-фіолетового відтінку.

Додаткові факти про індиго:

• Назва барвника походить від грецького слова indikon, що означає «речовина з Індії». Барвник тисячоліттями добували з листя рослини Indigofera tinctoria.
• Натуральним індиго вперше пофарбували міцну бавовняну тканину для робочих штанів фірми Levi Strauss & Co., завдяки чому цей колір став фірмовим для класичного джинсового одягу.
• У сучасній хімічній промисловості індиго синтезують штучним шляхом, а в колірній системі RGB цей відтінок має стандартний код із переважанням синьої та помірної червоної компоненти (#4B0082).