Приблизно в 1666 р. Ньютон зробив такий простий, але надзвичайно важливий досвід (рис. 157): «Я взяв довгастий шматок товстого чорного паперу з паралельними сторонамиі розділив його на дві рівні половини лінією. Одну частину я пофарбував червоною фарбою, іншу - синьою. Папір був дуже чорним, фарби були інтенсивними і наносилися товстим шаром для того, щоб явище могло бути чіткішим. Цей папір я розглядав крізь призму з масивного скла, сторони якого були плоскими та добре полірованими.

Роздивляючись папір, я тримав його і призму перед вікном Стіна кімнати за призмою, під вікном, була вкрита чорною матерією, що була в темряві; таким чином, від неї не могло відбиватися світло, яке, проходячи повз краї паперу в око, змішувалося б зі світлом від паперу і затемнювало б явище. Встановивши предмети таким чином, я виявив, що в тому випадку, коли заломлюючий кут призми повернутий догори, так що папір здається внаслідок заломлення піднятим (зображення ), то синя сторона піднімається заломленням вище, ніж червона. що опустилася внаслідок заломлення (зображення то синя частина виявиться дещо нижчою, ніж червона

Таким чином, в обох випадках світло, що приходить від синьої половини паперу через призму до ока, відчуває за однакових обставин більше заломлення, ніж світло, що походить від червоної половини».

З сучасної точки зору це явище пояснюється тим, що показник заломлення скла, з якого зроблена призма, залежить від довжини хвилі світла, що проходить. Промені з різною довжиною хвилі призму заломлює по-різному. У скла показник заломлення для синіх променів більший, ніж для червоних, тобто показник заломлення зменшується зі зростанням довжини хвилі.

Мал. 157. Схема досвіду Ньютона, що доводить існування дисперсії.

Ньютон описує і другий, не менш важливий досвід у цій же галузі. У зовсім темній кімнаті він зробив невеликий отвір у віконниці вікна, через яке проходив білий сонячний промінь (рис. 158). Пройшовши крізь призму, цей промінь давав на стіні цілий спектр. Тим самим було доведено, що біле світло є сумішшю кольорів і що цю суміш можна розкласти на складові кольори, користуючись різницею в заломленні для променів різного кольору.

Не слід, однак, думати, що Ньютон належить саме відкриття призматичних кольорів. С. І. Вавілов, один з найтонших знавців Ньютона, писав: «Ньютон зовсім не відкривав призматичних кольорів, як це нерідко пишуть і особливо кажуть: вони були відомі задовго до нього, про них знали Леонардо да Вінчі, Галілей та багато інших; скляні призми продавалися XVII в. саме через призматичні кольори». Заслуга Ньютона полягає у проведенні чітких і тонких дослідів, які з'ясували залежність показника заломлення від кольору променів (див., наприклад, перший досвід).

Залежність показника заломлення від довжини хвилі світла називається дисперсією світла. На рис. 159 зображено дисперсійні криві для ряду кристалів.

Практично дисперсію характеризують завданням ряду значень показника заломлення для декількох довжин хвиль, що відповідають темним лініям фраунгоферов в сонячному спектрі.

На радянських оптичних заводах зазвичай користуються чотирма значеннями показника заломлення скла: показник заломлення для червоного світла з довжиною хвилі 656,3 мілімікрона для жовтого світла з довжиною хвилі для синього світла з довжиною хвилі і для синього світла з довжиною хвилі

Мал. 158. Дисперсійний діапазон білого світла.

Мал. 159. Дисперсійні криві різних речовин.

Скло з малою питомою вагою - крони - мають меншу дисперсію, важкі скла - флінти - більшу дисперсію.

У таблиці наведено чисельні дані про дисперсію радянських оптичних стекол та деяких рідких та кристалічних тіл.

(Див. скан)

З цифр, наведених у таблиці, випливає низка цікавих наслідків. Зупинимося на деяких із них. Дисперсія позначається у крайньому разі лише у зміні другого знака після коми у величині показника заломлення. Водночас, як ми побачимо далі, дисперсія відіграє колосальну роль у роботі оптичних інструментів. Далі, хоча велика дисперсія, як

Увага! Адміністрація сайту сайт не несе відповідальності за зміст методичних розробок, і навіть за відповідність розробки ФГОС.

• Учасник: Ворошнін Данило Олександрович
• Керівник: Базильникова Марина Олександрівна

Вступ

Ми живемо у світі різноманітних світлових явищ – веселка, полярні сяйва, Синє небо. Тим, хто не знайомий з причинами їх виникнення, ці світлові явища здаються незвичайними та загадковими.

У повсякденному життіми зустрічаємося з багатьма світловими явищами, але зазвичай не замислюємося над ними – наскільки вони звичні для нас, а ось пояснити їх часто важко. Наприклад, чайна ложка, опущена у склянку з водою, здається нам надламаною чи зламаною, залежно від того, з якого боку ми дивимося на ложку. Ми бачимо навколишні предмети багатобарвними при освітленні Сонцем або яскравою лампою, але з настанням сутінків або при ослабленні світла кольоровість предметів блисне.

Всі ці явища пов'язані з поняттям « світло». У повсякденному мовленні «світло» ми використовуємо в самих різних значеннях: вчення – світло, а невчення – темрява, світло мій, сонечко, скажи… У фізиці термін «світло» має набагато більш певне значення. Досвідченим шляхом було встановлено, що світло нагріває тіло, на яке падає. Отже, він передає цим тілам енергію. Ми також знаємо, що одним із видів теплопередачі є випромінювання, отже, Світло– це електромагнітне випромінювання, яке сприймається людським оком і викликає зорові відчуття. Світло має множинні властивості, однією такою властивістю світла є – дисперсія. Ми завжди стикаємося з цим явищем у житті, але не завжди помічаємо це. Але якщо бути уважним, то явище дисперсії завжди оточує нас. Одне з таких явищ – це звичайна веселка. На перший погляд, веселка це щось просте, насправді при виникненні веселки відбуваються складні фізичні процеси. Тому ми вибрали тему дисперсія світла для того, щоб глибше зрозуміти фізичні процеси та явища, що відбуваються у природі. Це дуже цікава темаі ми постараємося у своєму проекті представити всі моменти, що відбуваються в історії розвитку науки про світло і показати досліди з демонстрації дисперсії світла, а також свою експериментальну установку, розроблену спеціально для спостереження дисперсії світла, яка згодом може бути використана на уроках фізики при вивченні даної теми.

Ціль проекту– вивчення поняття «Дисперсія світла» та виготовлення експериментальної установки «Кольоровий диск Ньютона».

Завдання:

1. Вивчити історію відкриття І. Ньютоном явища Дисперсія світла.
2. Розглянути спектральний склад світла.
3. Дати поняття про дисперсію світла.
4. Підготувати експерименти щодо спостереження дисперсії світла.
5. Розглянути природне явищевеселка.
6. Виготовити експериментальну установку «Кольоровий диск Ньютона».

I. Теоретична частина

1.1. Відкриття Ісаака Ньютона

У 1665-1667 роках Ісаак Ньютон - англійський фізик і математик займаючись удосконаленням телескопів, звернув увагу на те, що зображення, що дається об'єктивом, по краях пофарбовано, це спостереження його дуже зацікавило, і він вирішив розгадати природу виникнення кольорових смуг. У цей час в Англії лютувала епідемія чуми, і молодий Ісаак Ньютон вирішив сховатися від неї у своєму рідному Вулсторпі. Перед від'їздом у село він придбав скляні призми, щоб «виконати досліди зі знаменитими явищами квітів». Досліджуючи природу квітів, Ньютон придумав та виконав цілий комплекс різних оптичних експериментів. Деякі з них без істотних змін у методиці використовуються у фізичних лабораторіях досі. Головний досвід був традиційним. Зробивши невеликий отвір у віконниці вікна затемненої кімнати, Ньютон поставив на шляху пучка променів, що проходили через цей отвір, скляну призму. На протилежній стіні він отримав зображення у вигляді смужки квітів, що чергуються (рис. 1).

1.2. Спектральний склад світла

Отриману таким чином кольорову смужку сонячного світлаНьютон розділив на сім кольорів веселки – червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий (рис. 2).

Спектр- (Від латинського «spectrum» - бачення) безперервний ряд кольорових смуг, виходить шляхом розкладання променя білого світла на складові (рис. 3).

Якщо ж розглядати спектр без подібного упередження, то смуга спектра розпадається на три головні частини – червону, жовто-зелену та синьо-фіолетову. Інші кольори займають порівняно вузькі області між цими основними.

Всі кольори спектру містяться в сонячному світлі, а скляна призма лише розділяє їх, оскільки різні кольори по-різному заломлюються склом. Найбільш сильно заломлюються фіолетові промені, найслабше – червоні.

1.3. Дисперсія світла

Проходячи через призму, промінь сонячного світла як переломлюється, а й розкладається різні кольори.

Дисперсією називається явище розкладання світла на кольори під час проходження світла через речовину.

Перш ніж розібратися в суті цього явища, необхідно розглянути спотворення світлових хвиль. Зміна напряму поширення хвилі при проходженні з одного середовища до іншого називається заломленням.

Покладемо на дно порожньої не прозорої склянки монету або інший невеликий предмет. Посунемо склянку так, щоб центр монети, край склянки та очей знаходилися на одній прямій. Не змінюючи положення голови, наливатимемо у склянку воду. У міру підвищення рівня води дно склянки з монетою ніби піднімається. Монета, яку раніше було видно лише частково, тепер буде видно повністю. Ці явища пояснюються зміною напряму променів на межі двох середовищ - заломленням світла(Рис. 4).

Закон заломлення світла: промінь, що пропадає, промінь заломлений і перпендикуляр, відновлений в точці падіння, лежать в одній площині.

Якщо промінь переходить у якесь середовище з вакууму, то

sinα	= n,
sinβ

де n – абсолютний показник заломлення другого середовища.

Абсолютний показник заломлення – фізична величина, Рівна відношенню синуса кута падіння променя до синуса кута заломлення при переході променя з вакууму в цю середу.

Чим більший у речовини показник заломлення, тим більш оптично щільним вважається ця речовина. Наприклад, рубін – середовище оптично щільніше, ніж лід.

Заломлення світла при переході з одного середовища в інше викликано різницею в швидкостях поширення світла в тому й іншому середовищі. Це було доведено французьким математиком П'єром Ферма та голландським фізиком Християном Гюйгенсом. Вони довели, що

Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для даних двох середовищ, рівна відношенню швидкостей світла в цих середовищах:

sinα	= n 21 =	V 1
sinβ		V 2

Швидкість світла в будь-якій речовині менша за швидкість світла у вакуумі. Причиною зменшення швидкості світла у середовищі є взаємодія світлової хвилі з атомами та молекулами речовини. Чим сильніша взаємодія, тим більше оптична щільністьсередовища, і тим менше швидкість світла. Середовище з меншим абсолютним показником заломлення прийнято називати оптично менш щільним середовищем.

Абсолютний показник заломлення визначається швидкістю поширення світла в даному середовищі, яка залежить від фізичного станусередовища, тобто від температури речовини його густини. Показник заломлення залежить і від характеристик самого світла. Для червоного світла воно менше, ніж для зеленого, а для зеленого – менше, ніж для фіолетового.

Таким чином,

Дисперсія світла – залежність показника заломлення та швидкості світла від частоти світлової хвилі.

Абсолютний показник заломлення скла n, З якого виготовлена ​​призма, залежить не тільки від властивостей скла, але і від частоти (від кольору) світла, що проходить через нього. У досвіді Ньютона при розкладанні спектр пучка білого світла, промені фіолетового кольору, мають велику частоту, ніж червоні, переломилися сильніше червоних, на екрані можна спостерігати кольорову смугу – спектр (рис. 5).

1.4. Веселка

Дисперсією світла пояснюються багато явищ природи, наприклад Веселка. Внаслідок заломлення сонячних променів у краплях води під час дощу на небі з'являється різнокольорова дуга – веселка (рис. 6).

Веселка- це оптичне явищепов'язане з заломленням світлових променів на численних краплинах дощу

Різнокольорова дуга з'являється тому, що промінь світла заломлюється в крапельках води, а потім, повертаючись до спостерігача під кутом 42 градуси, розщеплюється на складові від червоного до фіолетового кольору (рис. 7).

Насамперед, зауважимо, що веселка може спостерігатися лише осторонь, протилежній Сонцю. Якщо стати обличчям до веселки, то Сонце виявиться ззаду. Спостерігаються у веселці кольори чергуються у такій послідовності, як і спектрі, одержуваному при пропусканні пучка сонячних променів через призму. При цьому внутрішня (звернена до поверхні Землі) крайня область веселки забарвлена ​​у фіолетовий колір, а зовнішня крайня область – у червоний.

Яскравість відтінків і ширина веселки залежить від розміру крапель дощу. Чим більше краплі, тим вже й яскравіше веселка, тим більше червоного насиченого кольору. Якщо йде дрібний дощ, то веселка виходить широка, але з бляклими помаранчевими та жовтими краями.

Найчастіше бачимо веселку у вигляді дуги, але дуга – це лише частина веселки. Веселка має форму кола, але ми спостерігаємо лише половину дуги, тому що її центр знаходиться на одній прямій з нашими очима та Сонцем (рис. 8).

Цілком веселку можна побачити лише на великій висоті, з борту літака або з високої гори(Мал. 9).

ІІ. Практична частина

2.1. Демонстрація експериментів зі спостереження дисперсії світла

Вивчивши історію відкриття дисперсії світла і процес утворення спектру, ми вирішили досвідченим шляхом поспостерігати дисперсію світла. Для цього підготували та провели відео експерименти, які можна використовувати на уроках фізики щодо теми Дисперсія світла.

Експеримент №1. Отримання райдужного спектру на мильних плівках

Для проведення експерименту знадобиться: ємність із мильним розчином, дротяна рамка.

Хід експерименту:наливаємо мильний розчин у ємність, опускаємо рамку в розчин, утворюється мильна плівка. На плівці з'являється райдужні смуги.

Експеримент №2. Дисперсія світла – розкладання в райдужний спектр пучка білого світла під час проходження крізь скляну призму

Для проведення експерименту знадобиться: призма, джерело світла (ліхтарик телефону), екран (аркуш білого паперу).

Хід експерименту:встановлюємо призму на експериментальному столику. З одного боку столика встановлюємо екран. Світло направляємо на призму та на екрані спостерігаємо райдужні смуги.

Експеримент № 3. Дисперсія світла – розкладання у райдужний спектр пучка білого світла під час проходження через воду

Для проведення експерименту знадобиться: дзеркало, джерело світла (ліхтарик телефону), екран (аркуш білого паперу), ємність із водою.

Хід експерименту:у ємність наливаємо воду і кладемо на дно дзеркало. Направляємо на дзеркало світло, щоб відбите світло потрапляло на екран.

1.2. Колірний диск Ньютона

Ньютон провів звичайний досвід зі скляною призмою та помітив розкладання світла на спектр. Направивши промінь денного світлана призму він побачив на екрані різні кольори веселки. Після побаченого він виділив із них сім основних кольорів. Це були такі кольори як: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий (кожен мисливець бажає знати, де сидить фазан). Ньютон вибрав лише сім кольорів з тієї причини, що були найбільш яскраві, він також говорив, що в музиці всього сім нот, але їх поєднання, різні варіації дозволяють отримати зовсім різні мелодії. Провівши зворотний досвід, тобто. отриманий спектр він направив на межу іншої призми і в результаті досвіду Ньютон знову отримав біле світло (рис.10).

На основі цих простих дослідів Ньютону прийшла в голову думка про створення кола, що складається з семи секторів і зафарбованих певними кольорами в результаті обертання, якого відбудеться їхнє змішання і ми отримаємо біле забарвлення цього кола. Згодом це коло стали називати Кольоровий диск Ньютона(Рис. 11).

Спробуємо повторити досвід Ньютона. Для цього створимо експериментальну установку, яка складається з комп'ютерного кулера і прикріпленого до нього колірного диска, а також блоку живлення (рис. 12).

Кулер створює велику протоку повітря, і служить для того, щоб привести в обертання кольоровий диск. Так як наша установка підключається в мережу з напругою 220 В, а кулер розрахований на 12 В, тому до кулера підключили блок живлення для зниження напруги з 220 на 12 В. Для безпеки установка ізольована в пластмасовому боксі.

В результаті при включенні установки в розетку мережі живлення кольорове коло, закріплене на кулері, почне обертатися, і ми побачимо жовтувато-біле забарвлення кола (рис. 13).

Забарвлення кола при обертанні жовтувато-біле з двох причин:

1. Швидкість обертання кола дуже низька порівняно зі швидкістю світла;
2. Коло пофарбоване з різкими переходами кольорів, якщо порівнювати зі спектром розкладання білого світла.

Таким чином, нам вдалося повторити експерименти Ньютона щодо поділу білого світла на спектр і навпаки отримання білого світла зі спектру.

Висновок

Навколишній світ грає фарбами: нас радує і хвилює блакитність неба, зелень трави і дерев, червоне заграву заходу сонця, семикольорова дуга веселки. У своєму проекті ми спробували відповісти на питання – як можна пояснити дивовижне різноманіття фарб у природі. У цілому нині поставлена ​​мета вивчення такого явища як дисперсія світла в результаті досягнуто. Для того, щоб глибше зрозуміти таку властивість світла як дисперсія, було вивчено додаткову літературу з світлових явищ, було проведено експерименти зі спостереження явища, було виготовлено установку для обертання колірного кола Ньютона з деякою швидкістю.

В результаті проведених дослідів та експериментів нами були зроблені наступні висновки:

1. Дисперсія – явище розкладання білого світла спектр.
2. Білий колір має складну структуру, що складається з кількох кольорів.
3. При падінні світла на межу розділу двох прозорих середовищ світлові промені різної кольоровості переломлюються по-різному (найбільш сильно-фіолетові промені, менш за інші - червоні).
4. Призма не змінює колір, а лише розкладає його на складові.

Таким чином, за допомогою теоретичного вивчення даної теми та її практичного підтвердження було досягнуто основної мети проекту.

Сотні тисяч фізичних експериментів були поставлені за тисячолітню історію науки. Непросто відібрати кілька «най-най»

Змінити розмір тексту: A A

Серед фізиків США та Західної Європибуло проведено опитування. Дослідники Роберт Криз та Стоні Бук просили їх назвати найкрасивіші за всю історію фізичні експерименти. Про експерименти, що увійшли до першої десятки за результатами опитування Криза та Бука, розповів науковий співробітник Лабораторії нейтринної астрофізики високих енергій, кандидат фізико-математичних наук Ігор Сокальський. 1. Експеримент Ератосфена КіренськогоОдин із найдавніших відомих фізичних експериментів, у результаті якого було виміряно радіус Землі, було проведено у III столітті до нашої ери бібліотекарем знаменитої Олександрійської бібліотеки Ерастофеном Кіренським. Схема експерименту проста. Опівдні, у день літнього сонцестояння, у місті Сієні (нині Асуан) Сонце перебувало у зеніті і предмети не відкидали тіні. У той же день і в той же час у місті Олександрії, що знаходився за 800 кілометрів від Сієна, Сонце відхилялося від зеніту приблизно на 7°. Це становить близько 1/50 повного кола (360°), звідки виходить, що коло Землі дорівнює 40 000 кілометрів, а радіус 6300 кілометрів. Майже неймовірним видається те, що виміряний настільки простим методом радіус Землі виявився лише на 5%. менше значення, отриманого найточнішими сучасними методамиповідомляє сайт . 2. Експеримент Галілео Галілея У XVII столітті панувала думка Аристотеля, який вчив, що швидкість падіння тіла залежить від його маси. Чим важче тіло, тим швидше воно падає. Спостереження, які кожен з нас може зробити в повсякденному житті, здавалося б, це підтверджують. Спробуйте одночасно випустити з рук легку зубочистку та важкий камінь. Камінь швидше торкнеться землі. Подібні спостереження привели Арістотеля до висновку про фундаментальну властивість сили, з якою Земля притягує інші тіла. Насправді на швидкість падіння впливає як сила тяжіння, а й сила опору повітря. Співвідношення цих сил для легких предметів і для важких по-різному, що і призводить до ефекту, що спостерігається.

Італієць Галілео Галілей засумнівався у правильності висновків Аристотеля та знайшов спосіб їх перевірити. Для цього він скидав з Пізанської вежі в той самий момент гарматне ядро ​​і значно легшу мушкетну кулю. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічний форму, тому і для ядра, і для кулі сили опору повітря були зневажливо малі в порівнянні з силами тяжіння. Галілей з'ясував, що обидва предмети досягають землі в той самий момент, тобто швидкість їх падіння однакова.

Результати, отримані Галілеєм, - наслідок закону всесвітнього тяжінняі закону, відповідно до якого прискорення, яке зазнає тіло, прямо пропорційне силі, що діє на нього, і обернено пропорційно масі. 3. Інший експеримент Галілео ГалілеяГалілей заміряв відстань, яку кулі, що котилися по похилій дошці, долали за рівні проміжки часу, виміряний автором досвіду з водяного годинника. Вчений з'ясував, що якщо час збільшити вдвічі, то кулі прокотяться вчетверо далі. Ця квадратична залежність означала, що кулі під дією сили тяжіння рухаються прискорено, що суперечило прийнятому на віру протягом 2000 років твердженню Аристотеля про те, що тіла, на які діє сила, рухаються з постійною швидкістю, тоді як сила не прикладена до тіла, то воно спочиває. Результати цього експерименту Галілея, як і результати його експерименту з Пізанською вежею, надалі послужили основою формулювання законів класичної механіки. 4. Експеримент Генрі КавендішаПісля того, як Ісаак Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння: сила тяжіння між двома тілами з масами Міт, віддалених один від одного на відстань r, дорівнює F=γ(mM/r2), залишалося визначити значення гравітаційної постійної γ- Для цього потрібно було виміряти силу тяжіння між двома тілами з відомими масами. Зробити це не так просто, бо сила тяжіння дуже мала. Ми відчуваємо силу тяжіння Землі. Але відчути тяжіння навіть дуже великої поблизу гори неможливо, оскільки воно дуже слабке.

Потрібен був дуже тонкий та чутливий метод. Його вигадав і застосував у 1798 році співвітчизник Ньютона Генрі Кавендіш. Він використовував крутильні ваги – коромисло з двома кульками, підвішене на дуже тонкому шнурку. Кавендіш вимірював усунення коромисла (поворот) при наближенні до куль ваг інших куль більшої маси. Для збільшення чутливості зміщення визначалося за світловими зайчиками, відбитими від дзеркал, закріплених на кулях коромисла. Внаслідок цього експерименту Кавендішу вдалося досить точно визначити значення гравітаційної константи і вперше обчислити масу Землі.

5. Експеримент Жана Бернара Фуко

Французький фізик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 експериментально довів обертання Землі навколо своєї осі за допомогою 67-метрового маятника, підвішеного до вершини купола паризького Пантеону. Площина гойдання маятника зберігає постійне становище стосовно зірок. Спостерігач, що знаходиться на Землі і обертається разом з нею, бачить, що площина обертання повільно повертається у бік, протилежний до напрямку обертання Землі. 6. Експеримент Ісаака НьютонаУ 1672 році Ісаак Ньютон зробив простий експеримент, який описаний у всіх шкільних підручниках. Зачинивши віконниці, він проробив у них невеликий отвір, крізь який проходив сонячний промінь. На шляху променя була поставлена ​​призма, а за призмою – екран. На екрані Ньютон спостерігав веселку: білий сонячний промінь, пройшовши через призму, перетворився на кілька кольорових променів - від фіолетового до червоного. Це називається дисперсією світла.

Сер Ісаак був не першим, хто спостерігав це явище. Вже на початку нашої ери було відомо, що великі монокристали природного походження мають властивість розкладати світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла у дослідах зі скляною трикутною призмою ще до Ньютона виконали англієць Харіот та чеський дослідник природи Марці.

Однак до Ньютона подібні спостереження не піддавалися серйозному аналізу, а висновки, що робилися на їх основі, не перевірялися ще раз додатковими експериментами. І Харіот, і Марці залишалися послідовниками Арістотеля, який стверджував, що відмінність у кольорі визначається різницею у кількості темряви, що «примішується» до білого світу. Фіолетовий колір, за Арістотелем, виникає при найбільшому додаванні темряви до світла, а червоний - при найменшому. Ньютон же проробив додаткові досліди зі схрещеними призмами, коли світло, пропущене через одну призму, потім проходить через іншу. На підставі сукупності виконаних дослідів він зробив висновок про те, що «ніякого кольору не виникає з білизни та чорноти, змішаних разом, крім проміжних темних; кількість світла не змінює вигляду кольору». Він показав, що біле світло слід розглядати як складове. Основними є кольори від фіолетового до червоного. Цей експеримент Ньютона є чудовим прикладом того, як різні люди, спостерігаючи одне й те саме явище, інтерпретують його по-різному і лише ті, хто ставить під сумнів свою інтерпретацію і ставить додаткові досліди, приходять до правильним висновкам. 7. Експеримент Томаса ЮнгаНа початок ХІХ століття переважали ставлення до корпускулярної природі світла. Світло вважали що складається з окремих частинок - корпускул. Хоча явища дифракції та інтерференції світла спостерігав ще Ньютон («кільця Ньютона»), загальноприйнята думка залишалася корпускулярною. Розглядаючи хвилі лежить на поверхні води від двох кинутих каменів, можна побачити, як, накладаючись друг на друга, хвилі можуть интерферировать, тобто взаємогасити чи взаємопосилювати друг друга. Грунтуючись на цьому, англійський фізик і лікар Томас Юнг проробив у 1801 році досліди з променем світла, який проходив через два отвори в непрозорому екрані, утворюючи, таким чином, два незалежні джерела світла, аналогічні двом кинутим у воду каменям. В результаті він спостерігав інтерференційну картину, що складається з темних і білих смуг, що чергуються, яка не могла б утворитися, якби світло складалося з корпускул. Темні смуги відповідали зонам, де світлові хвилі від двох щілин гасять одна одну. Світлі смуги виникали там, де світлові хвилі зміцнювалися. Таким чином було доведено хвильову природу світла.

8. Експеримент Клауса Йонссона

Німецький фізик Клаус Йонссон провів у 1961 році експеримент, подібний до експерименту Томаса Юнга з інтерференції світла. Різниця полягала в тому, що замість променів світла Йонссон використав пучки електронів. Він отримав інтерференційну картину, аналогічну до тієї, що Юнг спостерігав для світлових хвиль. Це підтвердило правильність положень квантової механікипро змішану корпускулярно-хвильову природу елементарних частинок. 9. Експеримент Роберта МіллікенаУявлення про те, що електричний зарядбудь-якого тіла дискретний (тобто складається з більшого або меншого набору елементарних зарядів, які вже не схильні до дроблення), виникло ще в початку XIXстоліття і підтримувалося такими відомими фізикамияк М.Фарадей і Г.Гельмгольц. У теорію було запроваджено термін " електрон " , що позначав якусь частку - носій елементарного електричного заряду. Цей термін, однак, був у той час суто формальним, оскільки ні сама частка, ні пов'язаний з нею елементарний електричний заряд не було виявлено експериментально. У 1895 році К.Рентген під час експериментів з розрядною трубкою виявив, що її анод під дією променів, що летять з катода, здатний випромінювати свої, Х-промені, або промені Рентгена. У тому року французький фізик Ж.Перрен експериментально довів, що катодні промені - це потік негативно заряджених частинок. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, електрон залишався гіпотетичною частинкою, оскільки не було жодного досвіду, в якому брали б участь окремі електрони. Американський фізик Роберт Міллікен розробив метод, який став класичним прикладом витонченого фізичного експерименту. Мілікену вдалося ізолювати у просторі кілька заряджених крапельок води між пластинами конденсатора. Висвітлюючи рентгенівськими променями, можна було трохи іонізувати повітря між пластинами і змінювати заряд крапель. При включеному полі між пластинами крапелька повільно рухалася вгору під впливом електричного тяжіння. При вимкненому полі вона опускалася під впливом гравітації. Включаючи та вимикаючи поле, можна було вивчати кожну з виважених між пластинами крапель протягом 45 секунд, після чого вони випаровувалися. До 1909 вдалося визначити, що заряд будь-якої крапельки завжди був цілим кратним фундаментальної величині е (заряд електрона). Це було переконливим доказом того, що електрони були частинками з однаковим зарядом і масою. Замінивши крапельки води крапельками олії, Міллікен отримав можливість збільшити тривалість спостережень до 4,5 години й у 1913 року, виключивши одне одним можливі джерела похибок, опублікував перше виміряне значення заряду електрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10 електро. 10. Експеримент Ернста РезерфордаНа початку XX століття стало зрозуміло, що атоми складаються з негативно заряджених електронів та якогось позитивного зарядузавдяки якому атом залишається в цілому нейтральним. Однак припущень про те, як виглядає ця «позитивно-негативна» система, було надто багато, тоді як експериментальних даних, які б дозволили зробити вибір на користь тієї чи іншої моделі, явно бракувало. Більшість фізиків прийняли модель Дж. Дж. Томсона: атом як рівномірно заряджену позитивну кулю діаметром приблизно 108 см з плаваючими всередині негативними електронами. В 1909 Ернст Резерфорд (йому допомагали Ганс Гейгер і Ернст Марсден) поставив експеримент, щоб зрозуміти дійсну структуру атома. У цьому експерименті важкі позитивно заряджені а-частки, що рухаються зі швидкістю 20 км/с, проходили через тонку золоту фольгу і розсіювалися на атомах золота, відхиляючись від початкового руху. Щоб визначити ступінь відхилення, Гейгер і Марсден повинні були за допомогою мікроскопа спостерігати спалахи на пластині сцинтилятора, що виникали там, де пластину потрапляла а-частка. За два роки було пораховано близько мільйона спалахів і доведено, що приблизно одна частка на 8000 внаслідок розсіювання змінює напрямок руху більш ніж на 90° (тобто повертає назад). Такого ніяк не могло відбуватися в "пухкому" атомі Томсона. Результати однозначно свідчили на користь так званої планетарної моделі атома - масивне крихітне ядро ​​розмірами приблизно 10-13 см і електрони, що обертаються навколо цього ядра на відстані близько 10-8 см. Сучасні фізичні експерименти значно складніші за експерименти минулого. В одних прилади розміщують на площах десятки тисяч квадратних кілометрів, в інших заповнюють об'єм порядку кубічного кілометра. А треті скоро будуть проводити на інших планетах. До речі, а ви знаєте,

Ще 60-ті гг. XVII ст. Ньютон зацікавився оптикою і зробив відкриття, яке, здавалося спочатку, говорило на користь корпускулярної теорії світла. Цим відкриттям було явище дисперсії світла та простих кольорів.

Розкладання білого світла призмою у спектр було відомо дуже давно. Проте розібратися у цьому явищі до Ньютона ніхто не зміг. Вчених, які оптикою, цікавило питання про природу кольору. Найбільш поширеною була думка про те, що біле світло є простим. Кольорові промені виходять у результаті тих чи інших його змін. Існували різні теорії з цього питання.

Вивчаючи явище розкладання білого світла у спектр, Ньютон дійшов висновку, що біле світло є складним світлом. Він є сумою простих кольорових променів.

Ньютон працював із простою установкою. У віконниці темної кімнати було зроблено маленький отвір. Через цей отвір проходив вузький пучок сонячного світла. На шляху світлового променя ставилася призма, а за призмою – екран. На екрані Ньютон спостерігав діапазон, тобто. подовжене зображення круглого отвору, ніби складеного з багатьох кольорових кружків. При цьому найбільше відхилення мали фіолетові промені – один кінець спектру – і найменше відхилення – червоні – інший кінець спектру.

Але цей досвід ще не був переконливим доказом складності білого світла та існування простих променів. Він був добре відомий, і з нього можна було зробити висновок, що, проходячи призму, біле світло не розкладається на прості промені, а змінюється, як багато хто думав до Ньютона.

Щоб підтвердити висновок у тому, що біле світло складається з простих кольорових променів і розкладається ними під час проходження через призму, Ньютон проводив інший досвід. У екрані, у якому спостерігався спектр, робилося також малий отвір. Через отвір пропускали вже не біле світло, а світло, що має певне забарвлення, говорячи сучасною мовоюмонохроматичний пучок світла. На заваді цього пучка Ньютон ставив нову призму, а за нею новий екран. Що спостерігатиметься на цьому екрані? Розкладе він одноколірний пучок світла у новий спектр чи ні? Досвід показав, що цей пучок світла відхиляється призмою як одне ціле під певним кутом. При цьому світло не змінює свого забарвлення. Повертаючи першу призму, Ньютон пропускав через отвір екрану кольорове проміння різних ділянок спектру. У всіх випадках вони не розкладалися другою призмою, лише відхилялися на певний кут, різний для променів різного кольору.

Після цього Ньютон дійшов висновку, що біле світло розкладається на кольорові промені, які є простими і призмою не розкладаються. Для кожного кольору показник заломлення має своє певне значення. Кольоровість цих променів та його заломлюваність неспроможна змінитися «ні заломленням, ні відбитком від природних тіл, чи будь-який інший причиною», - писав Ньютон. Це відкриття справило велике враження. У 18 в. французький поет Дювард писав: «А що це? Тонка сутність цих променів не може змінюватись за своєю природою! Ніяке мистецтво не в змозі його зруйнувати, і червоний чи синій промінь має своє забарвлення, перемагаючи всі зусилля».

Основи спектрального аналізу можуть бути охарактеризовані так:

«Світло якогось джерела може бути джерела може бути розкладене на ряд елементів, які окремо створюють враження кольорів. Ці елементи не можна різко розмежувати, вони поступово переходять один в одного. Найпростішим способом світло можна розкласти за допомогою скляної призми. Саме цим методом Ньютон зробив ряд дослідів, які призвели його до заснування фізичної оптики та дозволили зробити один із найбільших вкладів у науку. Пучок сонячного світла входить у темну кімнату крізь отвір у віконниці та падає на скляну призму. Світло, що виходить із призми, утворює забарвлену смугу, звану спектром. Червоний кінець спектра утворений променями, що найменш відхиляються при проходженні крізь призму, фіолетовий - найбільш відхиляються. Інші кольори розташовуються між зазначеними межами без будь-яких різких меж розділу…»

Ці дослідження привели вченого до винаходу першого дзеркального телескопа(1688). Ньютон досліджував також інтерференцію світла. Незважаючи на те, що його досліди підтверджували хвильову теоріюсвітла, він рішуче виступав проти неї і відстоював гіпотезу, за якою джерело викидає найменші матеріальні частинки - корпускули. Цю теорію деякий час повністю заперечували, але тепер вона знову відроджується у зміненій формі.

Ще більше переконує нас у силі науки те, як його зважили… земна куля. Здавалося б, це виключено. Проте вчені знайшли таку нагоду. Був використаний закон всесвітнього тяжіння,відкритий Ісаком Ньютоном.

Згадаймо ще раз: що більша маса тіла, то з більшою силою воно притягує до себе інші тіла. Кавендіш визначив, з якою силою масивна свинцева куля притягувала до себе маленькі кулі, а потім порівняла цю силу з іншою силою - тяжінням маленьких куль Землею, тобто їхньою вагою. У скільки разів ця, друга сила більша за першу, у стільки ж разів маса Землі більше масивеликої свинцевої кулі. Так була і зважена земля! Маса її дорівнювала приблизно 6 000 000 000 000 000 000 000 тонн. Знаючи вагу та обсяг Землі, вчені легко обчислили її середню щільність: вона дорівнює 5,5 г/см3, іншими словами, речовина, з якої складається земна куля, в 5,5 рази важча за воду.

У 1704 р. виходить знаменита праця Ісаака Ньютона (1642-1727) «Оптика», в якому вперше був описаний експериментальний метод дослідження колірного зору. Він називається методом адитивного змішування кольорів, і отримані цим методом результати започаткували експериментальну науку про колір.

Досліди Ньютона описані в багатьох посібниках, тому ми розглянемо їх лише у зв'язку з питанням про природу кольору. Мал. 1.1 є схемою установки Ньютона і ілюструє суть дослідів.

Якщо як екран 1 взяти щільний лист білого картону, то після проходження сонячного променячерез призму на екрані відобразиться звичайний лінійний колірний спектр. Для перевірки гіпотези, де виникають кольорові промені - у світлі або призмі, - Ньютон прибрав екран 1 і пропустив спектральні промені на лінзу, яка знову зібрала їх в пучок на екрані 2, і цей пучок був такий же безбарвний, як вихідне світло.

Таким чином, Ньютон показав, що кольори утворюються не призмою, а...! І ось тут необхідно на хвилину зупинитися, тому що досі були фізичні досліди зі світлом, і тільки тут починаються досліди зі змішування кольорів. Отже, сім кольорових променів, змішаних разом, дають білий промінь, а отже, саме склад світла був причиною появи кольору, але куди вони подіються після змішування? Чому, як не розглядаєш біле світло, у ньому немає жодного натяку на кольорові промені, з яких воно складається?

Саме цей феномен, який дасть змогу сформулювати один із законів змішування кольорів, і привів Ньютона до розробки методу змішування кольорів. Звернемося знову до рис. 1.1. Поставимо замість суцільного екрану 1 інший екран 1, в якому вирізані отвори так, щоб частина променів (два, три або чотири з семи) проходила, а інші загороджувалися світлонепроникними перегородками. І тут починаються дива. На екрані 2 з'являються кольори невідомо звідки і невідомо як. Наприклад, ми закрили шлях променям фіолетовому, блакитному, синьому, жовтому та помаранчевому і пропустили зелений та червоний промені. Однак, пройшовши через лінзу і дійшовши до екрана 2, це проміння зникло, але замість них з'явився жовтий. Якщо подивитися на екран 1, ми переконуємося, що жовтий промінь затриманий цим екраном і не може потрапити на екран 2, але на екрані 2 такий самий жовтий колір. Звідки він узявся?

Такі ж дива відбуваються, якщо затримати всі промені, окрім блакитного та помаранчевого. Знову зникнуть вихідні промені, а з'явиться біле світло, таке саме, якби воно складалося не з двох променів, а з семи. Але найдивовижніше явище виникає, якщо пропустити лише крайні промені спектра – фіолетовий та червоний. На екрані 2 з'являється зовсім новий колір, якого не було ні серед вихідних семи кольорів, ні серед інших комбінацій,- пурпурний.

Ці разючі феномени змусили Ньютона уважно розглянути промені спектру та їх різні суміші. Якщо й ми вдивимося в спектральний ряд, то побачимо, що окремі складові спектру не відокремлюються одна від одної різкою межею, а поступово переходять одна в одну так, що сусідні в спектрі промені здаються більш схожими один на одного, ніж далекі. І тут Ньютон відкрив ще один феномен.

Виявляється, для крайнього фіолетового променя спектра найбільш близькими за кольором є не лише синій, а й неспектральний пурпуровий. І цей же пурпурний разом із помаранчевим складає пару сусідніх кольорів для крайнього червоного променя спектру. Тобто якщо розташувати кольори спектру і суміші відповідно до їх схожості, що сприймається, то вони утворюють не лінію, як спектр, а замкнене коло (рис. 1.2), так що найбільш різні за становищем в спектрі випромінювання, тобто найбільш розрізняються фізично промені, виявляться дуже близькими за кольором.

Це означало, що фізична структура спектра та колірна структура відчуттів абсолютно різні явища. І це був головний висновок, який Ньютон зробив зі своїх дослідів у «Оптиці»

«Коли я говорю про світло і промені як про кольорові або викликаючі кольори, слід розуміти, що я говорю не у філософському сенсі, а так, як говорять про ці поняття прості люди. По суті промені не є кольоровими; в них немає нічого, крім певної здатності та схильності викликати відчуття того чи іншого кольору. Так само як звук ... в будь-якому тілі, що звучить, є не що інше, як рух, який органами почуттів сприймається у вигляді звуку, так і колір предмета є не що інше, як схильність відображати той чи інший вид променів більшою мірою, ніж інші , колір променів - це їх нахил тим чи іншим способом впливати на органи почуттів, які відчуття приймає форму квітів» (Ньютон, 1704).

Розглядаючи взаємовідносини між різними за фізичним складом променями світла і викликаними ними відчуттями кольорів, Ньютон перший зрозумів, що колір є атрибут сприйняття, для якого потрібен спостерігач, здатний сприйняти промені світла і інтерпретувати їх як кольори. Саме світло пофарбоване не більше, ніж радіохвилі чи рентгенівські промені.

Таким чином, Ньютон перший експериментально довів, що колір - це властивість нашого сприйняття, і природа його у влаштуванні органів чуття, здатних інтерпретувати певним чиномвплив електромагнітних випромінювань.

Оскільки Ньютон був прихильником корпускулярної теорії світла, він вважав, що перетворення електромагнітних випромінювань у кольори здійснюється шляхом вібрації нервових волокон, так що певне поєднання вібрацій різних волокон викликає в мозку певне відчуття кольору.

Зараз ми знаємо, що Ньютон помилився, припустивши резонансний механізм генерації кольору (на відміну від слуху, де перший етап перетворення механічних коливаньв звук здійснюється саме резонансним механізмом, колірний зір влаштовано принципово інакше), на нас важливіше інше, те, що Ньютон вперше виділив специфічну тріаду: фізичне випромінювання- фізіологічний механізм - психічний феномен, в якому колір визначається взаємодією фізіологічного та психологічного рівнів. Тому ми можемо назвати думку Ньютона ідеєю про психофізіологічну природу кольору.