Взаимодействие света с веществом. Дисперсия.
план-конспект занятия по физике (11 класс) по теме

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ

При распространении света в веществе возникают следующие явления:

• изменяется скорость распространения, причем, скорость распространения зависит от длины световой волны. Это явление называется дисперсией.
• часть энергии световой волны теряется. Это явление называется поглощением или абсорбцией света.
• при распространении света в оптически неоднородной среде возникает рассеяние света на пространственных неоднородностях среды.

1.   Дисперсия света

Дисперсией света называют зависимость показателя преломления n от длины волны (или от частоты), т.е. n = n(λ).

У прозрачных веществ примерный вид зависимости изображен на следующем рисунке:

Такая зависимость n(λ), когда n уменьшается с ростом λ называется нормальной дисперсией. При прохождении белого света через призму свет разлагается в дисперсионный (призматический) спектр. Это явление впервые наблюдал И. Ньютон (1672 г.). Схема его опыта изображена на рисунке:

1.1 Классическая электронная теория дисперсии

Последовательное описание взаимодействия света с веществом возможно только в рамках квантовой теории. Однако, во многих случаях можно ограничиться описанием в рамках волновой (электромагнитной) теории излучения и классической электронной теории , согласно которой каждую молекулу среды можно рассматривать как систему зарядов, имеющих возможность совершать гармонические колебания - как систему осцилляторов с различными собственными частотами и коэффициентами затухания. Движение этих осцилляторов можно рассматривать на основе законов Ньютона.

1.2 . График зависимости n(ω)

Проведенный анализ позволяет изобразить примерный вид графика зависимости показателя преломления от циклической частоты:

На участках AB и DE n растет с ростом ω - дисперсия нормальная. На участке BCD дисперсия аномальная - с ростом показатель преломления падает.

График зависимости n(λ) Так как длина волны λ и циклическая частота величины, связанные обратно пропорциональной зависимостью (15.1.8), то график n(λ), соответствующий приведенному выше графику, будет иметь примерно следующий вид:.

3. Рассеяние света

   Наслаждаясь видом безоблачного неба, мы вряд ли склонны вспоминать о том, что небесная синева – это одно из проявлений рассеяния света. Оказывается, синие лучи, падающие на Землю от Солнца, рассеиваются молекулами воздуха примерно в 6 раз сильнее своих «антагонистов» в видимом спектре – красных, и поэтому небо выглядит голубым, а солнце тем краснее, чем оно ближе к горизонту. Так объяснил голубой цвет неба в 1871 году знаменитый английский математик и физик Джон Уильям Стретт, почти тогда же унаследовавший от отца титул лорда Рэлея, и с тех пор рассеяние света на отдельных атомах или молекулах и вообще на маленьких частичках – с размерами, намного меньшими длины световой волны, называют рэлеевским.

   Амплитуда волн, испускаемых движущимся электроном, пропорциональна его ускорению – чем резче меняется скорость заряда, тем труднее удержаться возле него связанному с ним «собственному» электромагнитному полю. Ведь всякое поле обладает энергией, а следовательно, инертной массой и поэтому может не успевать за быстро колеблющимся в падающей световой волне электроном, отрываясь от него. Это и есть излучение вторичных волн, или рассеянный свет. Интенсивность его тем выше, чем быстрее колеблется электронное облако, то есть рассеяние возрастает с частотой падающего света, или, что то же самое, уменьшается с увеличением длины волны (длина волны обратно пропорциональна частоте). Потому-то синие лучи и рассеиваются сильнее красных – их длины волн равны соответственно 0,45 мкм и 0,7 мкм.

Вопросы и задачи по теме: Дисперсия.

1. Что называется дисперсией света?
2. Что такое спектр?
3. Как открыл и объяснил это явление Ньютон?
4. Как с помощью дисперсии определить состав белого света?
5. Почему в диспергирующей среде белый свет разлагается на составляющие его волны?
6. Как объясняет явление дисперсии классическая электронная теория Лоренца?
7. Получите закон дисперсии.
8. Как располагаются цвета в дисперсионном спектре? Как это объяснить?
9. Изобразите на графике зависимость n2(ω).
10. Что такое нормальная и аномальная дисперсия? Как объясняется явление аномальной дисперсии?
11.  Световые волны какого цвета имеют меньшую скорость в стекле – красные или фиолетовые?
12. Зависит ли скорость света в вакууме от частоты колебаний?
13.  Как изменяются показатели преломления цветных пучков, начиная с красного и заканчивая фиолетовым?
14.  Почему при точном определении показателя преломления вещества пользуются не белым светом, а монохроматическим?
15. Можно ли из цветных пучков получить белый свет?
16. Приведите примеры дисперсии света в природе.
17. Чем обусловлен цвет тела?
18. Объясните цвета прозрачных и непрозрачных тел
19. Как образуется радуга?
20. Известно, что заря красная, а небо синее. На основании этого объясните, какие лучи – красные или синие – сильнее рассеиваются в атмосфере.
21. Почему воздушные баллоны аквалангов и «черные ящики» самолетов окрашивают в ярко-оранжевый цвет?
22. Почему заходящее солнце кажется нам красным?
23. Почему виднеющийся на горизонте лес кажется не зеленым, а подернутым голубоватой дымкой?
24. Почему астронавты на Луне видят не голубое, а черное небо?
25. После дождя в солнечную погоду иногда наблюдается радуга. Почему именно после дождя, и в солнечную погоду?
26. Почему радуга имеет форму дуги?
27. Можно ли в летний полдень увидеть атмосферную радугу в Москве или Казани?
28. Когда радуга бывает выше: в 16 или 17 часов?
29. При частотах свыше 1 МГц диэлектрическая проницаемость льда равна 3. Определите показатель преломления света и скорость света в этом веществе.
30. В стекле (флинт) показатель преломления света для красного цвета (λкр = 670,8 нм) равен 1,643, для фиолетового (λф = 404,7 нм) – 1,685. Сравните скорости света этих волн в стекле.

Спектральные цвета

Цвета, возникающие при разложении белого света на спектральные составляющие, например посредством призмы или дифракционной решетки.

Пигменты

Цвета, возникающие, когда освещаемое белым светом тело поглощает часть света, а оставшуюся часть отражает.

Тело кажется:

• белым, когда оно отражает весь свет;
• черным, когда оно поглощает весь свет;
• зеленым, когда оно отражает зеленый свет и поглощает свет других цветов.