W budowie
Dyspersja światła w pryzmacie, widmo światła białego, mechanizm tęczy i fizyka barw ciał

Moduł 11 — Rozszczepienie światła, barwy ciał i tęcza — kurs Optyka (kurs podstawowy)

Moduł 11 kursu Optyka: Doświadczenie Newtona z pryzmatem, zjawisko dyspersji światła, powstawanie tęczy w kroplach deszczu, barwy ciał, absorpcja i odbicie selektywne, filtry optyczne oraz mieszanie barw.

  • 45 min
  • 22 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 6 minCzego nauczysz się w tym module? Poznasz historyczne doświadczenie Isaaca Newtona z pryzmatem i zrozumiesz, dlaczego…
  2. 4 min1. Doświadczenie Newtona (1666 r.) — tajemnica światła białego Izolacja pojedynczej barwy: Wyciął w przesłonie szczelinę, przepuszczając przez nią tylko…
  3. 7 min2. Fizyczna przyczyna rozszczepienia — zjawisko dyspersji W próżni (oraz z bardzo dobrym przybliżeniem w powietrzu) wszystkie fale świetlne — bez…
  4. 4 min3. Jak powstaje tęcza na niebie? Słońce musi świecić za plecami obserwatora (dość nisko nad horyzontem, poniżej…
  5. 4 min4. Dlaczego ciała mają barwy? Fizyka barw ciał od barw wchodzących w skład światła oświetlającego dany przedmiot,
  6. 4 min5. Mieszanie barw: RGB (światła) vs CMYK (farby) Czerwony + Zielony = Żółty (Yellow)
  7. 4 min6. Przykłady obliczeniowe i problemowe krok po kroku Krok 1: Obliczenie prędkości światła czerwonego ($v_{\text{cz}}$).
  8. 4 min7. Interaktywny symulator rozszczepienia światła i barw teza, kod i pytanie kontrolne
  9. 4 min8. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe Która barwa światła załamuje się o najmniejszy kąt, a która o największy?
  10. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 10 · ~6 min

Czego nauczysz się w tym module?

Optyka — kurs podstawowy › Blok III: Układy optyczne, oko i barwy

  • Poznasz historyczne doświadczenie Isaaca Newtona z pryzmatem i zrozumiesz, dlaczego światło białe nazywamy światłem polichromatycznym (złożonym).
  • Zdefiniujesz zjawisko dyspersji (rozszczepienia) światła i wyjaśnisz, dlaczego światło czerwone załamuje się najsłabiej, a fioletowe najsilniej.
  • Wyjaśnisz krok po kroku mechanizm powstawania tęczy na niebie w kroplach deszczu (załamanie → odbicie wewnętrzne → załamanie) oraz odróżnisz tęczę pierwotną od wtórnej.
  • Zrozumiesz, od czego zależą barwy ciał nieświecących (zjawisko selektywnego odbicia i pochłaniania / absorpcji światła) oraz jak działają filtry optyczne.
Sprawdzenie · atom 1 · ~1 min

Pytanie do klasy

Co Newton zobaczył na ścianie po przejściu wąskiej wiązki białego światła przez pryzmat?

Atom 2 z 10 · ~4 min

1. Doświadczenie Newtona (1666 r.) — tajemnica światła białego

Gdy Isaac Newton zaciemnił swój pokój w Cambridge, pozostawiając jedynie mały otworek w okiennicy, wpuścił do środka wąską wiązkę promieni słonecznych. Na jej drodze postawił trójkątny szklany pryzmat .

  • Izolacja pojedynczej barwy: Wyciął w przesłonie szczelinę, przepuszczając przez nią tylko promień czerwony i skierował go na drugi pryzmat.
  • Złożenie barw z powrotem w biel: Ustawiając za pierwszym pryzmatem drugi, identyczny pryzmat odwrócony podstawą do góry , połączył wszystkie barwy widma z powrotem w…
  • Kolejność barw w widmie: od najsłabiej załamywanej (czerwona) do najsilniej załamywanej (fioletowa).
  • Krytycy twierdzili, że to samo szkło pryzmatu w jakiś chemiczny sposób zabarwia białe światło.
Mnemotechnika — jak zapamiętać kolejność barw widma?
Pierwsze litery popularnego wierszyka odpowiadają barwom tęczy:
Czemu Patrzysz Żabko Zielona Na Cudny Fiołek?
(Czerwony, Pomarańczowy, Żółty, Zielony, Niebieski, Ciemnoniebieski/Indygo, Fioletowy).
Sprawdzenie · atom 2 · ~1 min

Pytanie do klasy

Co Newton zobaczył na ścianie po przejściu wąskiej wiązki białego światła przez pryzmat?

Atom 3 z 10 · ~7 min

2. Fizyczna przyczyna rozszczepienia — zjawisko dyspersji

Dlaczego poszczególne barwy załamują się w szkle pod różnymi kątami?

  • W próżni (oraz z bardzo dobrym przybliżeniem w powietrzu) wszystkie fale świetlne — bez względu na barwę — mkną z tą samą, absolutną prędkością $c \approx 300\,000\text{…
  • Jednak w ośrodkach materialnych (takich jak woda, szkło czy diament) prędkość światła zależy od długości jego fali :
  • Dyspersja (rozszczepienie) światła to zjawisko zależności współczynnika załamania ośrodka $n$ (a tym samym prędkości światła $v$) od długości fali $\lambda$ (czyli od…
  • $$n(\lambda) = \frac{c}{v(\lambda)}$$
Zestawienie · atom 3 · ~3 min

2. Fizyczna przyczyna rozszczepienia — zjawisko dyspersji

Dlaczego poszczególne barwy załamują się w szkle pod różnymi kątami?

Skrajna barwa widma Długość fali $\lambda$ Prędkość w szkle ($v$) Współczynnik załamania ($n$) Kąt odchylenia w pryzmacie
Światło czerwone $\lambda \approx 700\text{ nm}$ (najdłuższa) Największa ($v_{\text{czerw}} \approx 198\,000\text{ km/s}$) Najmniejszy ($n_{\text{czerw}} \approx 1{,}51$) Załamuje się NAJSŁABIEJ (odchyla się o najmniejszy kąt)
Światło fioletowe $\lambda \approx 400\text{ nm}$ (najkrótsza) Najmniejsza ($v_{\text{fiolet}} \approx 196\,000\text{ km/s}$) Największy ($n_{\text{fiolet}} \approx 1{,}53$) Załamuje się NAJSILNIEJ (odchyla się o największy kąt)
Sprawdzenie · atom 3 · ~1 min

Pytanie do klasy

Która barwa ma największy współczynnik załamania w szkle?

Atom 4 z 10 · ~4 min

3. Jak powstaje tęcza na niebie?

Tęcza to gigantyczny, naturalny pokaz dyspersji światła słonecznego zachodzący jednocześnie w milionach mikroskopijnych, kulistych kropel deszczu unoszących się w powietrzu.

  • Słońce musi świecić za plecami obserwatora (dość nisko nad horyzontem, poniżej $42^\circ$).
  • Przed obserwatorem musi znajdować się kurtyna kropel deszczu (deszczowa chmura lub rozpylona woda z fontanny/węża ogrodowego).
  • Załamanie z dyspersją przy wejściu do kropli: Promień słoneczny przechodzi z powietrza do wody. Ulega załamaniu i rozszczepieniu na barwy (fiolet skręca mocniej niż…
  • Odbicie wewnętrzne na tylnej ściance: Promienie trafiają na tylną wewnętrzną powierzchnię kropli pod kątem mniejszym niż kąt graniczny (dla wody ok. $40^\circ$ wobec…
Tęcza wtórna i ciemny pas Aleksandra:
Często nad główną tęczą widać drugą, słabszą tęczę wtórną (pod kątem ok. $51^\circ$). Powstaje ona w kroplach, w których światło odbiło się wewnątrz dwukrotnie! Każde odbicie pochłania część światła (dlatego jest bledsza), a drugie odbicie odwraca kolejność barw: w tęczy wtórnej fiolet znajduje się na zewnątrz (na górze), a czerwień od wewnątrz. Ciemny obszar nieba między dwoma łukami nazywa się pasem Aleksandra.
Sprawdzenie · atom 4 · ~1 min

Pytanie do klasy

Gdzie musi znajdować się Słońce, aby obserwator zobaczył tęczę?

Atom 5 z 10 · ~4 min

4. Dlaczego ciała mają barwy? Fizyka barw ciał

Większość przedmiotów wokół nas (ściany, ubrania, liście, książki) nie świeci własnym światłem. Widzimy je wyłącznie dzięki temu, że odbijają padające na nie światło ze źródeł (np. ze Słońca lub żarówki).

  • od barw wchodzących w skład światła oświetlającego dany przedmiot,
  • od tego, które barwy (długości fal) materiał przedmiotu odbija , a które pochłania (absorbuje) .
  • Filtr czerwony: przepuszcza wyłącznie fale czerwone, a pochłania wszystkie pozostałe (zielone, niebieskie, żółte).
  • Filtr zielony: przepuszcza tylko fale zielone.
Sprawdzenie · atom 5 · ~1 min

Pytanie do klasy

Dlaczego czerwone jabłko oświetlone czystym zielonym światłem wygląda czarno?

Atom 6 z 10 · ~4 min

5. Mieszanie barw: RGB (światła) vs CMYK (farby)

W fizyce i technologii stosuje się dwa zupełnie różne procesy tworzenia barw:

  • Czerwony + Zielony = Żółty (Yellow)
  • Zielony + Niebieski = Błękitny (Cyan)
  • Czerwony + Niebieski = Purpurowy (Magenta)
  • R + G + B (wszystkie trzy) = BIAŁY
Sprawdzenie · atom 6 · ~1 min

Pytanie do klasy

W syntezie addytywnej czerwony + zielony daje:

Atom 7 z 10 · ~4 min

6. Przykłady obliczeniowe i problemowe krok po kroku

Treść: W pewnym rodzaju ciężkiego szkła optycznego (szkło flint) współczynnik załamania dla światła czerwonego wynosi $n_{\text{cz}} = 1{,}62$, a dla światła fioletowego $n_{\text{f}} = 1{,}66$.

  • Krok 1: Obliczenie prędkości światła czerwonego ($v_{\text{cz}}$).
  • $$v_{\text{cz}} = \frac{c}{n_{\text{cz}}} = \frac{300\,000\text{ km/s}}{1{,}62} \approx 185\,185\text{ km/s}$$
  • Krok 2: Obliczenie prędkości światła fioletowego ($v_{\text{f}}$).
  • $$v_{\text{f}} = \frac{c}{n_{\text{f}}} = \frac{300\,000\text{ km/s}}{1{,}66} \approx 180\,723\text{ km/s}$$
Sprawdzenie · atom 7 · ~1 min

Pytanie do klasy

W szkle flint $n_{\text{cz}}=1{,}62$, a $n_{\text{f}}=1{,}66$. Które światło biegnie w nim szybciej?

Symulacja · atom 8 · ~3 min

7. Interaktywny symulator rozszczepienia światła i barw

Sprawdzenie · atom 8 · ~1 min

Pytanie do klasy

W symulatorze zmieniasz materiał pryzmatu z kronu na flint. Co obserwujesz?

Atom 9 z 10 · ~4 min

8. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe

Wąska wiązka światła białego pada na szklany pryzmat i ulega rozszczepieniu. Wyjaśnij:

  • Która barwa światła załamuje się o najmniejszy kąt, a która o największy?
  • Z jaką fundamentalną własnością falową (zależnością prędkości od barwy) wiąże się ta różnica?
  • Czy po skierowaniu pojedynczej barwy zielonej na kolejny pryzmat rozszczepi się ona na kolejne kolory?
  • Światło czerwone załamuje się o najmniejszy kąt (najsłabiej), natomiast światło fioletowe o największy kąt (najsilniej).
Sprawdzenie · atom 9 · ~1 min

Pytanie do klasy

Żółta koszula oświetlona czystym czerwonym światłem wyda się:

Zamknięcie · ~2 min

Co zabrać z lekcji

  • Poznasz historyczne doświadczenie Isaaca Newtona z pryzmatem i zrozumiesz, dlaczego światło białe nazywamy światłem polichromatycznym (złożonym).
  • Izolacja pojedynczej barwy: Wyciął w przesłonie szczelinę, przepuszczając przez nią tylko promień czerwony i skierował go na drugi pryzmat.
  • W próżni (oraz z bardzo dobrym przybliżeniem w powietrzu) wszystkie fale świetlne — bez względu na barwę — mkną z tą samą, absolutną prędkością $c \approx…
  • Dlaczego na niebie czerwona barwa jest na zewnątrz (na górze) tęczy?
Bilet wyjściowy: Wiązka zielonego światła monochromatycznego pada na drugi pryzmat. Co się dzieje?
Odpowiedź: c) Załamuje się, ale pozostaje zielona
Hyżyk· Moduł 11 — Rozszczepienie światła, barwy ciał i tęcza — kurs moduł 1 / 1