Ньютон исследует состав белого цвета
1 666 год
Ещё студентом Кембриджа Исаак Ньютон, пропуская лучи света сквозь отверстия и призмы, доказал, что белый цвет является комбинацией других цветов. Он также заметил, что лучи света, проходя сквозь призму, преломляются под разными углами. Когда Ньютон использовал две призмы, на выходе снова получился белый цвет; при пропускании сквозь призму лучей одного цвета их цвет не менялся. Результаты этих опытов Ньютон опубликовал в 1 672 году. В те времена считалось, что в результате рефракции и отражения белый цвет превращается в цветной, и до открытий Ньютона никто не предполагал, что он раскладывается на цвета радуги.
С XV века учёные вели спор о том, какими свойствами обладает свет — волны или частицы. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц различных цветов. Опыты Ньютона устанавливали новый стандарт научных экспериментов: теперь учёные многократно повторяли свои опыты и публиковали их условия, чтобы другие исследователи могли их повторить.
Почти через 40 лет после опытов Ньютона со светом была опубликована его монументальная «Оптика». Хотя труд был посвящён свойствам света и оптике, наиболее важным было перечисление Ньютоном в конце книги нерешённых вопросов науки. Здесь он высказал ряд предположений, задавших направление работы многим исследователям XVIII столетия.
Лондон отстраивается после Великого пожара
Первое успешное переливание крови
Когда мне было 14 лет и я жил в городе Парма, я не имел ни малейшего представления о шрифтах, зато, как и многие, преуспел в копировании. В один прекрасный день моему отцу случилось посетить торговую выставку, на которой бесплатно раздавали новый товар — переводной шрифт. Он принёс мне лист наборной кассы шрифта Helvetica Medium с кеглем 36 пунктов. До сих пор этот шрифт в этом размере производит на меня такое же впечатление, как песня «Maggie May» Роба Стюарта. Это было пределом моих мечтаний: Чудесный Настоящий Подлинный Графический Дизайн.
У меня в штате было много по настоящему талантливых дизайнеров: я понимала, что хороша настолько, насколько хороши дизайнеры, с которыми я работаю. Поэтому я считаю наём сотрудников важнейшей частью моей работы.
Каждый шрифт хочет знать: «Не толстоват ли я в этом абзаце?» Всё дело в контексте. Шрифт может выглядеть идеально тонким на экране, но в печатном варианте оказаться громоздким и бесформенным. У шрифта Mrs. Eaves узкая талия и маленькое тело.
Теория света Ньютона
Исаак Ньютон большую часть своих исследований проводил в тайне, тогда как основным видом его деятельности было чтение лекций по физике и математике в Кембриджском университете. Свои результаты Ньютон публиковал далеко не сразу. Так, до появления в печати его главного труда — «Математических начал», он успел далеко продвинуться в изучении оптики.
Мы обязаны Ньютону и самим словом «спектр», которое он придумал, чтобы описать рукотворную радугу, возникающую при пропускании белого солнечного света через призму. Ньютон провел этот эксперимент в начале 1670-х годов, однако опубликовал результаты только в 1704 году в своем труде «Оптика». К тому времени он уже успел создать свой рефлекторный телескоп, в котором для сбора скупого света звезд вместо линз использовал вогнутое зеркало.
В те годы линзы давали нежелательную рефракцию, получившую название «хроматической аберрации» и представлявшую собой цветное размытие по краям оптического поля. У телескопа Ньютона этой проблемы не было.
В своей «Оптике» Ньютон предположил, что свет представляет собой поток крошечных частиц, или, как говорили тогда, «корпускул». Подобное предположение вступало в противоречие с принятой тогда теорией Христиана Гюйгенса о том, что свет — это волна. Ньютон отверг эту теорию, поскольку постоянно замечал, что тени имеют четкие границы, а волны должны изменять свое направление у краев препятствия. Но в конце концов оба они оказались правы.
Отец спектра
Ньютон выделил для себя в цветах радуги семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Конечно, проще было ограничиться шестью цветами, но Ньютон считал цифру семь счастливой, так что он специально «придумал» еще один оттенок синего цвета.
Дисперсия света. Цветовой диск Ньютона
Введение
Мы живем в мире разнообразных световых явлений – радуга, полярные сияния, голубое небо. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.
В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – насколько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении Солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.
Все эти явления связаны с понятием «свет». В обыденной речи «свет» мы используем в самых разных значениях: ученье – свет, а неученье – тьма, свет мой, солнышко, скажи … В физике термин «свет» имеет гораздо более определенное значение. Опытным путем было установлено, что свет нагревает тела, на которое падает. Следовательно, он передает этим телам энергию. Мы также знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, следовательно, Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения. Свет обладает множественными свойствами, одним таким свойством света является – дисперсия. Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но не всегда замечаем этого. Но если быть внимательным, то явление дисперсии всегда нас окружает. Одно из таких явлений это обычная радуга. На первый взгляд радуга это что-то простое, на самом деле при возникновении радуги происходят сложные физические процессы. Поэтому мы выбрали тему дисперсия света для того, чтобы глубже понять физические процессы и явления, происходящие в природе. Это очень интересная тема и мы постараемся в своем проекте представить все моменты, происходящие в истории развития науки о свете и показать опыты по демонстрации дисперсии света, а так же свою экспериментальную установку, разработанную специально для наблюдения дисперсии света, которая впоследствии может быть использована на уроках физики при изучении данной темы.
Цель проекта – изучение понятия «Дисперсия света» и изготовление экспериментальной установки «Цветовой диск Ньютона».
Задачи:
I. Теоритическая часть
1.1. Открытие Исаака Ньютона
В 1665–1667 годах Исаак Ньютон – английский физик и математик занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, данное наблюдение его очень заинтересовало, и он решил разгадать природу возникновения цветных полос. В это время в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор. Главный опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов (рис. 1).
Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона
1.2. Спектральный состав света
Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).
Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр
Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части (рис. 3).
Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.
Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.
1.3. Дисперсия света
Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.
Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.
Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.
Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света (рис. 4).
Рисунок 4. Преломление светового луча
Закон преломления света: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
| sin α | = n21 |
| sin β |
где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то
где n – абсолютный показатель преломления второй среды.
Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.
Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.
Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:
| sin α | = n21 = | V1 |
| sin β | V2 |
Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.
Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.
Абсолютный показатель преломления стекла n, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).
Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму
1.4. Радуга
Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).
Рисунок 6. Природное явление радуга
Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.
Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).
Рисунок 7. Преломления света в капле дождя
Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. 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.
Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.
Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).
Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя
Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).
Рисунок 9. Радуга с борта самолета
II. Практическая часть
2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света
Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.
Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках
Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.
Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.
Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму
Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).
Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.
Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду
Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.
Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.
1.2. Цветовой диск Ньютона
Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).
Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет
На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).
Рисунок 11. Цветной диск Ньютона
Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).
Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра
Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.
В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).
Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона
Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:
Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.
Заключение
В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:
Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.
Гений, которому удалось взвесить Солнце
Он доказал, что всякие два тела — от мельчайших частиц до величайших солнц — притягивают друг друга со строго определенной силой, величину которой он научил нас вычислять. Это «всемирное тяготение» тождественное всем знакомой земной тяжестью. Он объяснил, исходя из открытого им закона всемирного притяжения, приливы и отливы в океанах. Он определил массы солнца и планет, а также вычислил силу тяжести на их поверхности.
Он указал причину третьего движения земного шара; движение это выражается в том, что продолжение земной оси описывает среди звезд круг в течение 26 тысяч лет, и роль Полярной звезды с течением веков переходит от одной звезды к другой. До Ньютона движение комет, их появление представлялось совершенно загадочным. Ньютон доказал, что кометы, подобно планетам, обращаются вокруг солнца, подчиняясь закону тяготения.
Он изобрел телескоп с зеркалом (отражательный), весьма удобный и очень сильный. Небольшая 15-сантиметровая зрительная трубка Ньютона была так же сильна, как существовавшие до этого времени полутораметровые трубы иной конструкции. Он доказал целым рядом убедительных опытов, что свет, который мы считаем белым, может быть разложен на отдельные цвета — фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый и т. д. Он подробно исследовал способ распространил звука.
Он первый установил, что тела плавятся и кипят при постоянной температуре. Он открыл закон охлаждения тел. Он создал ту математическую науку, которая теперь называется «дифференциальным исчислением» и является одной из главнейших отраслей высшей математики. Углубленное изучение природы и овладение се силами стало возможно лишь благодаря этому могучему математическому орудию. Каждой из этих заслуг в отдельности было бы достаточно, чтобы заслужить почетное имя в истории науки. С датами рождения и смерти Ньютона связаны следующие две хронологические загадки:
1) Мы празднуем рождение Ньютона 5 января 1643 г., а между тем на его могильном памятнике имеется надпись: «Родился 25 декабря 1642 г.» Кроме того, все биографы отмечают, что Ньютон родился в год смерти Галилея; великий же итальянский физик умер 8 января 1642 года. Почему же мы теперь переносим дату рождения на следующий год?
2) Двухсотлетие смерти Ньютона отмечалось всем миром в апреле 1928 г., а надпись на могильной плите гласит, что он умер 20 марта 1727 г. Отчего такое расхождение?
Разгадки очень просты. Причина первого несоответствия — в различии календарных стилей! Мы ведем счет по так называемому Грегорианскому календарю, а в эпоху Ньютона Англия жила еще по Юлианскому календарю. На родине же Галилея — в Италии — новый календарный счет был введен еще в конце XVI века, до смерти великого ученого. Причина второй неувязки сложнее. Англия приняла обычай начинать год 1 января только в середине XVIII века, после смерти Ньютона. До того англичане начинали год 25 марта. Поэтому современники Ньютона относили дату его смерти (20 марта) к 1728 г., мы же относим ее к 1729 г. Сюда присоединяется еще разница календарных стилей.
В свободные от школьных занятий часы будущий основатель теоретической механики всегда что-нибудь мастерил. Наблюдая за постройкой ветряной мельницы, юный Ньютон так хорошо познакомился с ее устройством, что смог самостоятельно изготовить ее модель. Вертясь на крыше дома, она вызывала всеобщее удивление. Вскоре Ньютон изменил устройство своей мельницы так, что ее приводила в движение сила живого двигателя, — мышь, которую мальчик-изобретатель называл «мельником».
Стараясь схватить подвешенный кусочек мяса, четвероногий мельник невольно вертел колесо. В школе, где учился Ньютон, никто не умел так искусно изготовлять и запускать бумажные змеи, как он. Будущий исследователь с помощью законов сопротивления воздуха придавал своим змеям самые разнообразные формы, желая установить, при какой форме змей всего лучше запускается. В темные зимние утра он иногда привязывал к змею зажженный фонарь и запускал его ввысь. Окрестное население удивленно и не без страха смотрело на эту искусственную комету, не подозревая, кто виновник ее внезапного появления. Впоследствии Ньютон занялся и настоящими кометами. До Ньютона эти капризные светила не подчинялись как будто никаким законам. Ньютон первый определил движение комет и нашел его законы.
Когда в 1680 г. появилась на небе огромная комета, занимавшая своим хвостом почти четверть неба, он вычислил ее путь и доказал, что она, как и планеты, огибает солнце, но только движется по сильно вытянутой кривой. А когда через два года появилась другая большая комета (открытая другом Ньютона — Галлеем), то оба ученых с такой точностью установили ее обращение, что стало возможно даже предсказать, в каком году она снова приблизится к солнцу. Закон всемирного тяготения Ньютон открыл на двадцать третьем году жизни, когда, покинув из-за чумной эпидемии университетский город, он отдыхал в родной деревне.
Существует рассказ о том, что на мысль о всемирном тяготении навело Ньютона яблоко, упавшее к его ногам с дерева. Дерево это долго еще после смерти Ньютона показывали в его саду, пока оно не было повалено бурей. Однако этот рассказ совершенно легендарен. Когда Ньютона спрашивали, как сделал он свои открытия, он отвечал: «Я постоянно думал о них. Я беспрестанно размышляю о предмете моих исследований и терпеливо жду, когда слабый проблеск постепенно превратится в полный свет». Не случайное падение яблока, а изумительная настойчивость мысли приводят к открытиям. Справедливо сказано, что гениальность есть не что иное, как «терпение мысли».