Экзамен по Шарову (Оптика 30-66). 30. Природа света

• Название: 30. Природа света
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 2.91 Mb.
• Имя файла: Экзамен по Шарову (Оптика 30-66).docx
• Тип: Документы; #1154835
• страница: 7 из 15

§ 162. Дисперсия показателя преломления различных мате­риалов. Измерения показателя преломления в зависимости от длины волны для разных веществ показывают, что дисперсия различных материалов может быть весьма раз­лична. В табл. 9 приведены в качестве примера значения

*) Дисперсия — лат. dispersus — рассеянный, разбросанный. На­блюдавшееся Ньютоном явление следует точнее называть дисперсией показателя преломления, ибо и другие оптические величины обнаружи­вают зависимость от длины волны (дисперсию).
Таблица 9. Зависимость показателя преломления от длины волны для разных веществ



показателя преломления в зависимости от длины волны для двух сортов стекла и двух различных жидкостей.

На рис. 311 изображено, как выглядел бы спектр солнечного света, полученный при помощи призм одинаковой фор­мы, сделанных из перечисленных в таблице материалов.



Рис.311. Сравнительная дисперсия разных веществ: 1 — вода, 2 — легкий крон, 3 — тяжелый флинт. О темных линиях в спектре см. в § 178

Различие в дисперсии для разных стекол позволяет исправлять хроматическую аберрацию, как об этом упо­миналось в § 106.

§ 163. Дополнительные цвета. Как было сказано в § 160, основной опыт Ньютона состоял в разложении бе­лого света в спектр. Естественно ожидать, что если мы смешаем все цвета полученного спектра, то вновь получится белый свет. Соответствующие опыты также были осуществ­лены Ньютоном. Смешение спектральных цветов можно осу­ществить, например, следующим образом. Направим на призму Р (рис. 312) параллельный пучок белого света. На выходной грани призмы поместим диафрагму Dи за приз­мой расположим линзу L. В главной фокальной плоскости MNлинзы, где сходятся параллельные пучки различных цветов, получим цветную полоску крф (спектр), ибо лучи разных цветов падают на линзу под разными углами и, следовательно, собираются в разных точках фокальной плоскости. Но эти же цветные пучки лучей, проходящие через диафрагму Dпо разным направлениям, дадут бла­годаря линзе Lизображение диафрагмы Dв виде белого



Рис. 312. Схематическое изображение опыта по смешению цветов. Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

кружка в плоскости АВ; в каждой точке изображения смешаны все лучи, которые входили в состав пучка белого света, упавшего на призму.

Поместим теперь в плоскость MN, где получено резкое изображение спектра, какую-нибудь непрозрачную полоску (например, карандаш) так, чтобы она задержала какой-нибудь участок спектра, например зеленый (рис. 313).



Рис. 313. Карандаш О задерживает часть спектра (зеленую). Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

Тогда изображение окажется цветным и притом красным. Переместим карандаш так, чтобы он задерживал другие лучи спектра, например синие; изображение станет желтым. Перемещая карандаш параллельно самому себе вдоль MN, т. е. последовательно закрывая доступ то одним, то другим лучам, мы заставим изменяться окраску изображения, ибо при каждом положении карандаша в образовании изобра­жения участвуют не все цвета лучей белого света, а лишь часть их.



Рис. 314. Прнзмочка Р отклоняет часть спектра (зеленую]. Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

Еще нагляднее становится подобный опыт, если откло­нить часть лучей спектра в сторону, поместив на их пути зеркальце или призмочку (рис. 314).



Рис. 315. Картины перекрытия изображений в дополнительных цветах,

полученные по методу, схематически представленному на рис. 314.

Рисунок имеет цветной дубликат (см. форзац)

В таком случае на экране АВ мы получим два изобра­жения, расположенных рядом друг с другом. Одно обра­зовано отклоненными лучами, другое — всеми остальными лучами спектра. Оба изображения окажутся цветными. Если угол отклонения подобран так, что цветные изображения отчасти перекрывают друг друга, то общая часть изо­бражения будет освещена всеми лучами спектра и будет белой.

Таким образом, общая картина будет подобна изобра­женной на рис. 315. Части А и В, покрытые простой штриховкой, окрашены в разные цвета, а часть С — белая. Цвета участков А и В носят название дополнительных, ибо они дополняют друг друга до белого цвета.

Варьируя описанные опыты, можно подобрать весьма большое количество сочетаний дополнительных цветов. Некоторые из них приведены в табл. 10.

Таблица 10. Дополнительные цвета



Дополнительные цвета можно получать и при помощи соответственным образом подобранных цветных стекол. Если стекла выбраны удачно, то, получив с их помощью два цветных изображения, частично накладывающихся друг на друга, мы можем получить картину, подобную изоб­раженной на рис. 315. Два дополнительных цвета в совокуп­ности могут и не представлять собой всего спектра. Так, например, узкий участок красного цвета довольно удачно дополняет соответствующий участок зеленого. Од­нако наиболее совершенными дополнительными цветами являются цвета, полученные разделением спектра белого света на две части.

§ 164. Спектральный состав света различных источников.

Опытами Ньютона было установлено, что солнечный свет имеет сложный характер. Подобным же образом, т. е. ана­лизируя состав света при помощи призмы, можно убедить­ся, что свет большинства других источников (лампа нака­ливания, дуговой фонарь и т. д.) имеет такой же характер. Сравнивая спектры этих светящихся тел, обнаружим, что соответственные участки спектров обладают различной яр­костью, т. е. в различных спектрах энергия распределена по-разному. Еще надежнее удостовериться в этом можно, если исследовать спектры при помощи термоэлемента (см. § 149).

Для обычных источников эти различия в спектре не очень значительны, однако их можно без труда обнаружить. Наш глаз даже без помощи спектрального аппарата обнару­живает различия в качестве белого света, даваемого этими источниками. Так, свет свечи кажется желтоватым или даже красноватым по сравнению с лампой накаливания, а эта по­следняя заметно желтее, чем солнечный свет.

Еще значительнее различия, если источником света вме­сто раскаленного тела служит трубка, наполненная газом, светящимся под действием электрического разряда. Такие трубки употребляются в настоящее время для светящихся надписей или освещения улиц. Некоторые из этих газораз­рядных ламп дают ярко желтый (натриевые лампы) или крас­ный (неоновые лампы) свет, другие светятся беловатым све­том (ртутные), ясно отличным по оттенку от солнечного. Спектральные исследования света подобных источников показывают, что в их спектре имеются только отдель­ные более или менее узкие цветные участки.

В настоящее время научились изготовлять газоразряд­ные лампы, свет которых имеет спектральный состав, очень близкий к солнечному. Такие лампы получили наз­вание ламп дневного света (см. § 186).

Если исследовать свет солнца или дугового фонаря, профильтрованный через цветное стекло, то он окажется заметно отличным от первоначального. Глаз оце­нит этот свет как цветной, а спектральное разложение обна­ружит, что в спектре его отсутствуют или очень слабы более или менее значительные участки спектра источника.

§ 165. Свет и цвета тел. Опыты, описанные в § 164, показы­вают, что свет, вызывающий в нашем глазу ощущение того или иного цвета, обладает более или менее сложным спект­ральным составом. При этом оказывается, что глаз наш представляет собой довольно несовершенный аппарат для анализа света, так что лучи разнообразного спектраль­ного состава могут иногда производить почти одинаковое цветовое впечатление. Тем не менее именно при помощи глаза мы получаем знание о всем многообразии цветов в ок­ружающем мире.

Случаи, когда свет от источника направляется непо­средственно в глаз наблюдателя, сравнительно редки. Гораздо чаще свет предварительно проходит через тела, преломляясь и частично поглощаясь в них, либо в бо­лее или менее полной степени отражаясь от их поверхности. Таким образом, спектральный состав света, дошедшего до нашего глаза, может оказаться значительно изменен­ным благодаря описанным выше процессам отражения, поглощения и т. д. В громадном большинстве случаев все подобные процессы ведут только к ослаблению тех или иных спектральных участков и могут даже полностью устранить некоторые из таких участков, но не добавляют к свету, при­шедшему от источника, излучения тех длин волн, которых в нем не было. Однако и такие процессы могут иметь место (например, в явлениях флюоресценции).

§ 166. Коэффициенты поглощения, отражения и пропуска­ния. Цвет различных предметов, освещенных одним и тем же источником света (например, солнцем), бывает весьма разнообразен, несмотря на то, что все эти предметы осве­щены светом одного состава. Основную роль в таких эф­фектах играют явления отражения и пропускания света. Как уже было выяснено, световой поток, падающий на тело, частично отражается (рассеивается), частично пропускается и частично поглощается телом. Доля светового потока, уча­ствующего в каждом из этих процессов, определяется с помощью соответствующих коэффициентов: отражения , пропускания  и поглощения  (см. § 76).

Каждый из указанных коэффициентов (, , ) может зависеть от длины волны (цвета), благодаря чему и возни­кают разнообразные эффекты при освещении тел. Нетрудно видеть, что какое-либо тело, у которого, например, для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффи­циент отражения мал, а для зеленого, наоборот, будет казаться красным в проходящем свете и зеленым в отражен­ном. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл — зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обус­ловливающее зеленый цвет их. Раствор (вытяжка) хлоро­филла в спирту оказывается на просвет красным, а на отражении — зеленым.

Тела, у которых для всех лучей поглощение велико, а отражение и пропускание очень малы, будут черными непрозрачными телами (например, сажа). Для очень белого непрозрачного тела (окись магния) коэффициент  близок к единице для всех длин волн, а коэффициенты  и очень малы. Вполне прозрачное стекло имеет малые коэффициен­ты отражения  и поглощения  и коэффициент пропу­скания , близкий к единице для всех длин волн; наоборот, у окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффи­циенты  и  равны практически нулю и соответственно значение коэффициента а близко к единице. Различие в значениях коэффициентов ,  и  и их зависимость от цвета (длины волны) обусловливают чрезвычайное разно­образие в цветах и оттенках различных тел.

§ 167. Цветные тела, освещенные белым светом. Окра­шенные тела кажутся цветными при освещении белым све­том. Если слой краски достаточно толст, то цвет тела опре­деляется ею и не зависит от свойств лежащих под краской слоев. Обычно краска представляет собой мелкие зернышки, избирательно рассеивающие свет и погруженные в прозрач­ную связывающую их массу, например масло. Коэффициен­ты ,  и  этих зернышек и определяют собой свойства краски.

Действие краски схематически изображено на рис. 316. Самый верхний слой отражает практически одинаково все



Рис. 316. Схема действия слоя краски

лучи, т. е. от него идет белый свет. Доля его не очень зна­чительна, около 5%. Остальные 95% света проникают в глубь краски и, рассеиваясь ее зернами, выходят наружу. При этом происходит поглощение части света в зернах краски, причем те или иные спектральные участки поглоща­ются в большей или меньшей степени в зависимости от цвета краски. Часть света, проникающая еще глубже, рассеивается на следующих слоях зерен и т. д. В результате тело, освещенное белым светом, будет иметь цвет, обуслов­ленный значениями коэффициентов ,  и  для зерен по­крывающей его краски.

Краски, поглощающие падающий на них свет в очень тонком слое, называются кроющими. Краски, действие ко­торых обусловлено участием многих слоев зерен, носят наз­вание лессировочных. Последние позволяют добиваться очень хороших эффектов путем смешивания нескольких сортов цветных зерен (стирание на палитре). В результате можно получить разнообразные цветовые эффекты. Инте­ресно отметить, что смешение лессировочных красок, соот­ветствующих дополнительным цветам, должно привести к очень темным оттенкам. Действительно, пусть в краске смешаны красные и зеленые зерна. Свет, рассеянный красными зернами, будет поглощаться зелеными и наоборот, так что из слоя краски свет почти не будет выходить. Та­ким образом, смешение красок дает совершенно иные результаты, чем смешение света соответствующих цветов. Это обстоятельство должен иметь в виду художник при смешивании красок.

§ 168. Цветные тела, освещенные цветным светом. Все вышесказанное относится к освещению белым светом. Если же спектральный состав падающего света значительно отличается от дневного, то эффекты освещения могут быть совершенно иными. Яркие красочные места цветной карти­ны выглядят темными, если в падающем свете отсутствуют как раз те длины волн, для которых эти места имеют большой коэффициент отражения. Даже переход от дневного освеще­ния к искусственному вечернему может значительно изме­нить соотношение оттенков. В дневном свете относительная доля желтых, зеленых и синих лучей гораздо больше, чем в искусственном свете. Поэтому желтые и зеленые материи кажутся при вечернем освещении более тусклыми, чем днем, а синяя при дневном свете ткань нередко кажется совсем черной при лампах. С этим обстоятельством должны счи­таться художники и декораторы, выбирающие краски для театрального представления или для парада, происходяще­го днем на открытом воздухе.

Во многих производствах, где важна правильная оценка оттенков, например при сортировке пряжи, работа при вечернем освещении очень затруднена или даже совсем невозможна. Поэтому в подобных условиях рационально применение ламп дневного света, т. е. ламп, спектральный состав света которых был бы по возможности близок к спектральному составу дневного освещения (см. § 187).

§ 169. Маскировка и демаскировка. Даже при ярком осве­щении мы не в состоянии различать тела, цвет которых не отличается от цвета окружающего фона, т. е. тела, для которых коэффициент  имеет для всех длин волн практически те же значения, что и для фона. Поэтому, например, так трудно различить животных с белым мехом или людей в белой одежде на снежной равнине. Этим пользуются в воен­ном деле для цветовой маскировки войск и военных объек­тов. В природе, в процессе естественного отбора, многие животные приобрели защитную окраску (мимикрия).

Из вышеизложенного понятно, что наиболее совершен­ной маскировкой является подбор такой окраски, у которой коэффициент отражения  для всех длин волн име­ет те же значения, что и у окружающего фона. Практически этого очень трудно достичь, и поэтому нередко ограничи­ваются подбором близких коэффициентов отражения для излучения, которое играет особо важную роль при дневном освещении и наблюдении глазом. Это — по преимуществу желто-зеленая часть спектра, к которой особенно чувстви­телен глаз и которая сильнее других представлена в сол­нечном (дневном) свете. Однако если замаскированные с таким расчетом объекты наблюдать не глазом, а фотографи­ровать, то маскировка может утратить свое значение. Действительно, на фотографическую пластинку особенно сильно действует фиолетовое и ультрафиолетовое излучение. Поэтому, если для этой области спектра коэффициенты отражения у объекта и фона заметно отличаются друг от друга, то при наблюдении глазом такой дефект маски­ровки останется незамеченным, но он резко даст себя знать на фотографии. Так же отчетливо скажется несовершенство маскировки, если вести наблюдение через светофильтр, практически устраняющий те длины волн, на которые маскировка по преимуществу рассчитана, например через синий фильтр. Несмотря на значительное понижение яр­кости всей картины при рассматривании через такой фильтр, на ней могут выступать детали, которые были скрыты при наблюдении в белом свете. Соединение фильтра с фотогра­фией может дать особенно сильный эффект. Поэтому при подборе маскирующих цветов надо быть внимательным к определению  для довольно широкой области спектра, в том числе для инфракрасной и ультрафиолетовой.

Светофильтрами пользуются иногда, чтобы улучшить правильную передачу освещенности при фотографировании. Ввиду того, что максимумы чувствительности глаза и фото­пластинки лежат в разных областях (для глаза — желто-зеленая, для фотопластинки — сине-фиолетовая), зритель­ное и фотографическое впечатления могут быть довольно различными. Фигура девушки, одетой в желтую блузку и фиолетовую юбку, кажется глазу светлой в верхней своей части и темной в нижней. На фотографической же карточке она может казаться одетой в темную блузку и светлую юбку. Если же перед фотографическим объективом поставить жел­тый светофильтр, он изменит соотношение освещенностей юбки и блузки в сторону, приближающуюся к зрительному впечатлению. Применяя, сверх того, фотопленку с повышен­ной по сравнению с обычными чувствительностью к длин­ным волнам (ортохроматические), мы можем добиться до­вольно правильной передачи освещенности фигуры.