Дисперсия световых волн

Дисперсия света
Преломление светового луча в призме
Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета. Рассмотрим преломление луча в приз­ме. Строго говоря, это означает, что световой луч предполагается здесь одно­цветным, или, как принято на­зывать в физике, монохрома­тическим
(от греческих «моно» — один и «хро­мое»— цвет).

Открытие явления дисперсии
Дисперсия света. В яркий солнечный день закроем окно в комнате плотной шторой, в ко­торой сделаем маленькое отверстие. Через это отвер­стие будет проникать в комнату узкий солнечный луч, образующий на противоположной стене светлое пятно. Если на пути луча поставить
стеклянную призму, то пятно на стене превратится в разноцветную по­лоску, в которой будут представлены все цвета ра­дуги—от фиолетового до красного (рис. 2: Ф – фиолетовый, С — синий, Г — голубой, 3 — зеленый, Ж —желтый, О —оранжевый, К — красный).
Дисперсия света – зависимость показателя преломления n вещества от частоты f (длины волны λ) света или зависимость фазовой скорости световых волн от частоты. Следствие дисперсии света - разложение в спектр пучка белого света при прохождении сквозь призму. Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, n увеличивается с увеличением f (уменьшением λ), чему и соответствует распределение цветов в спектре, такая зависимость n от f называется нормальной дисперсией света. Разноцветная полоска есть солнечный спектр.

Первые опыты с призмами. Представления о при­чинах возникновения цветов до Ньютона
Описанный опыт является, по сути дела, древним. Уже в I в. н. э. было известно, что большие монокристаллы (шестиугольные призмы, изготовленные самой приро­дой) обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой выполнил англича­нин Хариот (1560—1621). Независимо от него анало­гичные опыты проделал известный чешский естество­испытатель Марци (1595 — 1667), который установил, что каждому цвету соответствует свой угол прелом­ления. Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались достаточно серьезному анализу, а де­лавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. В результате в науке тех времен долго господствовали представления, неправильно объяснявшие возникновение цветов.
Говоря об этих представлениях, следует начать с теории цветов Аристотеля (IV в. до н. э.). Аристо­тель утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к солнечному (белому) свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем. Та­ким образом, цвета радуги — это сложные цвета, а основным является белый свет. Интересно, что появ­ление стеклянных призм и первые опыты по наблю­дению разложения света призмами не породили со­мнений в правильности аристотелевой теории возникновения цветов. И Хариот, и Марци оставались по­следователями этой теории. Этому не следует удив­ляться, так как на первый взгляд разложение света призмой на различные цвета, казалось бы, подтверж­дало представления о возникновении цвета в резуль­тате смешения света и темноты. Радужная полоска возникает как раз на переходе от теневой полосы к освещенной, т. е. на границе темноты и белого света. Из того факта, что фиолетовый луч проходит внутри призмы наибольший путь по сравнению с другими цветными лучами, не­мудрено сделать вывод, что фиолетовый цвет возни­кает при наибольшей утрате белым светом своей «белизны» при прохождении через призму. Иначе го­воря, на наибольшем пути происходит и наибольшее примешивание темноты к белому свету.
Ложность подобных выводов нетрудно было дока­зать, поставив соответствующие опыты с теми же призмами. Однако до Ньютона никто этого не сде­лал.

РАДУГА
Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэтому полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.
Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга — более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область).
Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 42°. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем, следовательно, больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 52.
Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя