От чего зависит длина световой волны
Оптика > Волновая > Длина волны света (λ).
| Содержание | Величина | Наименование |
| Длина волны (λ) — кратчайшее расстояние между точками волны, колеблющимися в одинаковых фазах. Свет мы воспринимаем глазами. Он является электромагнитной волной с длиной волны (в вакууме) от 760 нм (красный) до 420 нм (фиолетовый). |
— длина волны.
Частота световых колебаний от 4 . 10 14 Гц (красный) до 7 . 10 14 Гц (фиолетовый). Это достаточно узкая полоска на шкале электромагнитных волн.
Частота световой волны (длина волны в вакууме) определяет цвет видимого нами света:
Синусоида символически показывает частоту (длину волны) соответствующего участка спектра (цвета).
Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:
| Красный | Оранжевый | Жёлтый | Зелёный | Голубой | Синий | Фиолетовый | Цвет |
| 625—740 | 590—625 | 565—590 | 500—565 | 485—500 | 440—485 | 380—440 | Диапазон длин волн, нм |
| 480—400 | 510—480 | 530—510 | 600—530 | 620—600 | 680—620 | 790—680 | Диапазон частот, ТГц |
| 1,68—1,98 | 1,98—2,10 | 2,10—2,19 | 2,19—2,48 | 2,48—2,56 | 2,56—2,82 | 2,82—3,26 | Диапазон энергии фотонов, эВ |
Длины световых волн
Свет играет важную роль в фотографии. Привычный всем солнечный свет имеет достаточно сложный спектральный состав.
Спектральный состав видимой части солнечного света характеризуется наличием монохроматических излучений, длина волны которых находится в пределах 400-720 нм, по другим данным 380-780 нм.
Иными словами солнечный свет может быть разложен на монохроматические составляющие. В тоже время монохроматические (или одноцветные) составляющие дневного света не могут быть выделены однозначно, а, ввиду непрерывности спектра, плавно переходят от одного цвета в другой.
Считается, что определённые цвета находятся в определённых пределах длин волн. Это иллюстрирует Таблица 1.
Длины световых волн
Название цвета
Длина волны, нм
Для фотографов представляет определённый интерес распределение длин волн по зонам спектра.
Всего выделяют три зоны спектра: Синюю (Blue), Зелёную (Green) и Красную (Red).
По первым буквам английских слов Red (красный), Green (зелёный), Blue (синий) получила название система представления цвета – RGB.
В RGB-системе работает множество устройств, связанных графической информацией, например, цифровые фотокамеры, дисплеи и т.п.
Длины волн монохроматических излучений, распределённых по зонам спектра, представлены в Таблице 2.
При работе с таблицами важно учесть непрерывный характер спектра. Именно непрерывный характер спектра приводит к расхождению, как ширины спектра видимого излучения, так и положение границ спектральных цветов.
Длины волн монохроматических излучений, распределённых по зонам спектра
Обозначение
Зона видимого спектра
Спектральные цвета
Длина волны, нм
Длина волны, нм
Сине-фиолетовый
Синий
Сине-зелёный
400-430
430-480
480-500
380-440
440-485
485-500
Зелёный
Жёлто-зелёный
Жёлтый
500-540
540-560
560-580
500-540
540-565
565-590
Что касается монохроматических цветов, то разные исследователи выделяют разное их количество! Принято считать от шести до восьми различных цветов спектра.
Шесть цветов спектра
Монохроматические цвета спектра
Длина волны, нм
При выделении семи цветов спектра предлагается из диапазона синего 436-495 нм см.Таблицу 3 выделить две составляющие, одна из которых имеет синий (440-485 нм), другая – голубой (485-500 нм) цвет.
Семь цветов спектра
Монохроматические цвета спектра
Длина волны, нм
Синий (синий при 6 цветах спектра)
Голубой (синий при 6 цветах спектра)
«Определение длины световой волны при помощи дифракционной решётки»
Белый свет имеет сложную структуру, зная которую можно объяснить многообразие красок в природе. С помощью дифракционной решетки или призмы белый свет можно разложить в спектр, который состоит из семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Вне нас в природе нет никаких красок, есть лишь волны разной длины. Глаз – сложный оптический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, которому соответствует незначительная (около 10-6 см) разница в длине световых волн. На предыдущих уроках мы познакомились со свойствами световых волн: интерференцией, дисперсией, дифракцией, поляризацией.
Сегодня мы обобщим полученные знания на практике. Но вначале мы вспомним материал прошлого урока, на котором мы познакомились с устройством и принципом действия оптического прибора – дифракционная решетка.
2. Презентация по теме: «Дифракционная решетка».
На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки, которая представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. (Приложение 1, слайд 2)
Ширина прозрачных щелей равна а, а ширина непрозрачных щелей равна b.
а + b = d, d – период дифракционной решетки.
Рассмотрим элементарную теорию дифракционной решетки. Пусть на решетку падает плоская монохроматическая волна длиной λ. (Приложение 1, слайд 3).
Вторичные источники в щелях создают световые волны, распространяющиеся по всем направлениям.
Найдем условие, при котором идущие от щелей волны усиливают друг друга. Рассмотрим для этого волны, распространяющиеся в направлении, определяемом углом φ.
Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливать друг друга. Из треугольника АВСможно найти длину катета АС:
АС=АВ sinφ.
Максимумы будут наблюдаться под углом φ , определяемым условием
d * sinφ =k * λ
Нужно иметь в виду, что при выполнении данного условия усиливаются волны, идущие от всех других точек щелей. Каждой точке в первой щели соответствует точка во второй щели, находящаяся от первой точки на расстоянии d. Поэтому разность хода испущенных этими точками вторичных волн равна k * λ, и эти волны взаимно усиливаются.
За решеткой помещают собирающую линзу и за ней экран на фокусном расстоянии от линзы. Линза фокусирует лучи, идущие параллельно, в одной точке, В этой точке происходит сложение волн и их взаимное усиление. Углы φ, удовлетворяющие условию, определяют положение максимумов на экране.
Так как положение максимумов (кроме центрального, соответствующего k = 0) зависит от длины волны, то решетка разлагает белый свет в спектр (спектры второго и третьего порядков перекрываются). Чем больше λ , тем дальше располагается тот или иной максимум, соответствующий данной длине волны, от центрального максимума. Каждому значению соответствует свой спектр. Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко очерчены максимумы и тем более широкими минимумами они разделены. (Приложение 1, слайд 4) Световая энергия, падающая на решетку, перераспределяется ею так, что большая ее часть приходится на максимумы, а в минимумы попадает незначительная часть энергии.
С помощью дифракционной решетки можно проводить очень точные измерения длины волны. Если период решетки известен, то определение длины волны сводится к измерению угла φ, соответствующего направлению на максимум. (Приложение 1, слайд 5)
λ = , т.к. углы малы, то sin φ = tg φ
Примерами дифракционных решеток могут служить: наши ресницы с промежутками между ними представляют собой грубую дифракционную решетку.(Приложение 1, слайд 6) Поэтому, если посмотреть, прищурившись, на яркий источник света, то можно обнаружить радужные цвета. Белый свет разлагается в спектр при дифракции вокруг ресниц. Лазерный диск с бороздками, проходящими близко друг от друга, подобен отражательной дифракционной решетке. Если вы посмотрите на отраженный им свет от электрической лампочки, то обнаружите разложение света в спектр. Можно наблюдать несколько спектров, соответствующих разным значениям k . Картина будет очень четкой, если свет от лампочки падает на пластинку под большим углом.
3. Выполнение тестового задания.
I вариант.
- Световые волны являются когерентными, если:
А. ν1 = ν2
Б. Δφ = 0
В. Δφ = const
Г. ν1 = ν2 , Δφ = const - Два когерентных источника с длиной волны λ расположены на разных расстояниях ℓ1 и ℓ2 от точки М. (Рисунок 1) В точке М наблюдается:
А. Максимум;
Б. Минимум;
В. Ответ неоднозначен;
Г. Среди ответов А-В нет правильного. - Для «просветления» оптики на поверхность стекла с показателем преломления n1наносят тонкую прозрачную пленку с показателем преломления n2. Каково соотношение между n1 и n2?
А. n1< n2
Б. n1 = n2
В. n1 > n2
Г. ответ неоднозначен - Дифракционная решетка с периодом d освещается нормально падающим световым пучком с длиной волны λ. Какое из приведенных ниже выражений определяет угол φ, под которым наблюдается первый главный максимум?
А.sinφ =λ/d
Б. sinφ =d/λ
В. cos φ= λ/d
С. cos φ= d/λ - Что в обыденной жизни легче наблюдать: дифракцию звуковых или световых волн?
А. Дифракцию звуковых волн, т.к. они продольные, а световые волны поперечные.
Б. Дифракцию звуковых волн, т.к. λзв.>> λсв
В. Дифракцию световых волн, т.к. λзв..
Г. Дифракция световых волн, в связи с особенностью организма зрения — глаза. - При освещении монохроматическим белым светом диска малых размеров на экране наблюдается дифракционная картина. В центре дифракционной картины наблюдается: а. белое пятно; б. темное пятно.
А. а
Б. б
В. или а или б в зависимости от размеров диска.
II вариант.
- Световые волны являются когерентными, если:
А. ν1 = ν2 , Δφ = const Б. ν1 = ν2 В. Δφ = 0 Г. Δφ = const - Два когерентных источника с длиной волны λ расположены на разных расстояниях ℓ1 и ℓ2 от точки М.(Рисунок 2) В точке М наблюдается: А. Максимум; Б. Минимум; В. Ответ неоднозначен; Г. Среди ответов А-В нет правильного.
- Для «просветления» оптики на поверхность стекла с показателем преломления n1 наносят тонкую прозрачную пленку с показателем преломления n2. Каково соотношение между n1 и n2?
А. n1 = n2 Б. n1 > n2 В. n1 < n2 Г. ответ неоднозначен - Дифракционная решетка с периодом d освещается нормально падающим световым пучком с длиной волны λ. Какое из приведенных ниже выражений определяет угол φ, под которым наблюдается второй главный максимум? А.sinφ = 2λ/d Б. sinφ =d/2λ В. cos φ= 2λ/d С. cos φ= d/2λ
- Что в обыденной жизни легче наблюдать: дифракцию звуковых или световых волн?
А. Дифракцию световых волн, т.к. λзв..
Б. Дифракция световых волн, в связи с особенностью организма зрения — глаза.
В. Дифракцию звуковых волн, т.к. они продольные, а световые волны поперечные.
Г. Дифракцию звуковых волн, т.к.λзв.>> λсв - При освещении монохроматическим белым светом диска малых размеров на экране наблюдается дифракционная картина. В центре дифракционной картины наблюдается: а. белое пятно; б. темное пятно.
А. а Б. б В. или а или б в зависимости от радиуса отверстия.
Просмотр в/фрагмента «Дифракция Фраунгофера».
Вопросы к данному материалу:
- Что представляет собой дифракционная решетка?
Ответ:Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. - Чем отличаются спектры, даваемые призмой от дифракционных спектров?
Ответ:Дифракционная решетка и призма — спектральные приборы – анализаторы спектра. Спектр, полученный с помощью призмы, сильнее растянут в коротковолновой части, а в длинноволновой сжат, т.к. призма сильнее отклоняет фиолетовые лучи. Дифракционная решетка сильнее отклоняет красные лучи, спектр почти равномерен. - От чего зависит угловое расстояние между максимумами в дифракционном спектре?
Ответ:Угловое расстояние между максимумами в дифракционном спектре зависит от постоянной дифракционной решетки. Чем меньше постоянная дифракционной решетки, тем больше угловое расстояние между спектрами. - Чем определяется разрешающая сила прибора?
Ответ:Резкость спектральных линий растет с увеличением числа щелей, чем больше число щелей, тем шире спектр, этим определяется разрешающая сила прибора. - Какие решетки называют отражательными?
Ответ:С конца прошлого века широкое распространение получили отражательные решетки. В таких решетках на 1мм приходится до нескольких тысяч штрихов. Чем больше штрихов на 1 мм тем больше угловая ширина спектра. - Какие разновидности решеток вам известны?
Ответ:Эшелон Майкельсона — дифракция на краях ступеней;
Вогнутая сферическая решетка – служит фокусирующим зеркалом без объектива;
Скрещенные дифракционные решетки — образуют 2-х мерную дифракционную структуру, раскладывающую спектр по двум координатам;
Неупорядоченная структура (запыленное окно) – образует радужные кольца;
Ресницы человека с промежутками между ними образуют грубую дифракционную решетку. - Назовите оптические приборы, в которых используются дифракционные решетки и в каких областях науки они применяются?
Ответ:Дифракционные решетки используются в спектроскопах, спектрографах, специальных микроскопах, в астрономии, физике, химии, биологии, техники, для изучения спектров поглощения и отражения веществ, для изучения оптических свойств различных материалов, на производстве для проведения экспресс – анализа различных веществ.
Множество узких щелей на небольшом расстоянии друг от друга образует замечательный оптический прибор – дифракционную решетку. Решетка разворачивает свет в спектр и позволяет очень точно измерить длину световой волны.
Прежде чем перейти к выполнению экспериментальной работы решим задачу на определение длины волны при помощи дифракционной решетки и повторим формулу для определения условия, при котором идущие от щелей волны усиливают друг друга.
Решение задачи. Работа на доске.
№ 2405 – С.
При помощи дифракционной решетки с периодом 0,02 мм получено первое дифракционное изображение на расстоянии 3,6 см от центрального максимума и на расстоянии 1,8 м от решетки. Найдите длину световой волны.
4. Выполнение экспериментального задания. Работа в группах.
Тема: «Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки».
Экспериментальное задание: с помощью установки, изображенной на рисунке 3, определите длину волны (указанного цвета).
Обратите внимание на рисунок (Приложение 1, слайд 7). Решетка устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 1. На линейке расположен черный экран 3 с узкой вертикальной щелью посередине. На экране и линейке имеется миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штатив.
Порядок выполнения работы:
- Отодвиньте шкалу с прицельной щелью на максимально возможное расстояние от дифракционной решетки. (Приложение 2).
- Направьте ось прибора на лампу с прямой нитью накала. (при этом нить накала лампы должна быть видна сквозь узкую прицельную нить щитка. Внимательно посмотрите сначала налево, а затем направо от щели. В этом случае справа и слева от щели, на черном фоне над шкалой, будут видны дифракционные картины (спектры)).
- Не двигая прибора, по шкале определите положение середин цветных полос с спектрах первого порядка. Результаты запишите в таблицу.
- По данным измерений вычислите длину волны. Сравните её со значением длины волны для этого цвета света, данной в справочнике. Сделайте вывод.
λ = d * sin φ/ k, т.к. углы малы, то sin φ = tg φ
Таблица результатов:
Световые волны, виды, свойства и применение
Световая волна — это волна, которая распространяется в среде в виде электромагнитных колебаний. Эти колебания возникают в результате взаимодействия заряженных частиц (электронов и протонов) с электромагнитным полем.
Электромагнитные волны могут распространяться в различных средах, таких как воздух, вода, стекло или металлы. Они также могут быть использованы для передачи информации, например, в оптическом кабеле или оптической связи.
Световые волны имеют длину волны, которая измеряется в нанометрах (нм). Длина волны определяет, как свет выглядит и как он взаимодействует с веществом. Короткие волны имеют большую энергию и могут вызывать химические реакции или нагревать объекты, в то время как длинные волны имеют меньшую энергию и могут использоваться для создания изображений.
Для создания световых волн используются различные источники света, такие как лазеры, светодиоды, лампы накаливания и другие. Лазеры используются в медицине, науке и промышленности для различных целей, а светодиоды широко используются в бытовой технике и освещении.
Открытие световых волн
1. Открытие явления интерференции света
В 1814 году Томас Юнг обнаружил, что если два луча света падают на экран, то на нем можно увидеть полосы, которые образуются из-за наложения волн. Это явление называется интерференцией света.
2. Открытие дифракции света
В 1672 году Кристиан Гюйгенс предположил, что свет представляет собой волну. В 1683 году Роберт Гук подтвердил это предположение, наблюдая дифракцию света на щели. Дифракция света — это явление, при котором свет отклоняется от прямолинейного распространения при прохождении через узкое отверстие или щель.
3. Открытие поляризации света
В 1877 году Джеймс Клерк Максвелл предположил, что свет может быть поляризован. В 1888 году Поль Керр и Уильям Брэгг подтвердили это предположение, исследовав поляризацию света при прохождении через кристаллы. Поляризация света — это свойство света, при котором он имеет только одну плоскость поляризации.
4. Открытие спектра света
В 1786 году Антуан Лавуазье обнаружил, что при пропускании белого света через призму он разделяется на цвета. Этот процесс называется дисперсией света. Спектр света — это распределение цветов в зависимости от длины волны света.
5. Открытие электромагнитных волн
В 1864 году Джеймс Максвелл доказал, что электромагнетизм — это единая теория, которая объясняет как свет, так и электрические и магнитные явления. Электромагнитные волны — это колебания электрического и магнитного полей, которые распространяются в пространстве со скоростью света.
Виды световых волн
Существует несколько видов световых волн, которые могут быть классифицированы на основе различных параметров. Некоторые из наиболее распространенных видов световых волн включают:
- Свет видимого диапазона (от 400 до 700 нм) — это свет, который мы можем видеть и который используется в оптической связи, фотографии, видео и других областях.
- Ультрафиолетовый свет (UV, от 100 до 400 нм) — это электромагнитное излучение с более короткой длиной волны, чем видимый свет. Он используется в научных исследованиях и производстве, а также для защиты от солнечных ожогов и лечения некоторых заболеваний.
- Инфракрасный свет (IR, от 700 до 14000 мкм) — это излучение с длиной волны от среднего размера до крупного размера. Этот свет используется для измерения температуры, инфракрасных камер и других приложений.
- Радиационное излучение (от X-лучей до гамма-лучей) — это высокоэнергетическое излучение с очень короткой длиной волны. Оно используется в медицине и науке для диагностики и лечения заболеваний, а также в космических исследованиях.
- Лазерное излучение — это форма света, которая генерируется путем усиления света с помощью лазера. Лазеры используются во многих областях, включая медицину, науку, технологии и развлечения.
- Звуковые волны — это звуковое излучение, которое может быть преобразовано в свет с помощью ультразвукового преобразователя. Этот тип света используется в медицинской диагностике и других приложениях.
Свойства световых волн, характеристики
Частота световой волны
Частота световой волны — это количество колебаний в секунду, которое совершает свет. Это одна из основных характеристик света и измеряется в герцах (Гц).
Частота световой волны определяется формулой:
- где f — частота в Гц,
- c — скорость света в вакууме, равная примерно 299 792 458 м/с,
- а λ — длина волны в метрах.
Например, если длина волны света составляет 600 нм, то частота будет равна:
600 × 10^-9 м / 299792458 м/с = 2 × 10^14 Гц
Это означает, что свет с длиной волны 600 нм имеет частоту 2 терагерца (ТГц) или 2 000 000 000 Гц.
Важно отметить, что частота световой волны не зависит от источника света, она всегда одинакова для всех источников света. Однако, длина волны может быть разной в зависимости от источника света и условий наблюдения.
Длина световой волны
Длина световой волны напрямую связана с ее частотой. Чем выше частота света, тем короче его длина волны, и наоборот. Например, видимый свет состоит из разных цветов, каждый из которых имеет свою длину волны и частоту.
- красный свет имеет частоту 700 ТГц (терагерц) и длину волны 0,7 мкм (микрометр);
- фиолетовый свет — 400 ТГц — 0,38 мкм;
- синий свет — 500 ТГц — 0,4 мкм;
- голубой — 530 ТГц — 0,42 мкм;
- зеленый — 550 ТГц — 0,43 мкм;
- желтый — 570 ТГц -0,44 мкм;
- оранжевый — 600 ТГц — 0,46 мкм;
- и, наконец, белый свет — 625 ТГц — 0,47 мкм.
Энергия световой волны
Энергия световой волны — это мера количества энергии, переносимой световой волной. Она определяется как произведение частоты волны на ее энергию. Частота волны измеряется в герцах (Гц), а энергия — в джоулях.
Энергия световой волны может быть выражена следующим образом:
- где E — энергия волны,
- h — постоянная Планка (6,626 x 10^-34 Дж с),
- ν — частота волны.
Таким образом, энергия световой волны пропорциональна частоте волны и постоянной Планка. Чем выше частота волны, тем больше ее энергия.
Важно отметить, что энергия световой волны не является постоянной величиной. Она зависит от длины волны и может изменяться в зависимости от условий среды, в которой распространяется волна. Например, при прохождении через среду с более высокой оптической плотностью (например, через слой дыма) энергия волны может уменьшаться, а при прохождении через более прозрачную среду (например, воздух) — увеличиваться.
Кроме того, энергия световой волны может использоваться для измерения интенсивности света. Интенсивность света определяется как количество фотонов, падающих на единицу площади за единицу времени. Она также может быть выражена в джоулях на квадратный метр на секунду (Дж/м² с).
Интенсивность света
Интенсивность света — это мера количества фотонов, проходящих через единицу поверхности за единицу времени. Единицей измерения интенсивности света является фотон в секунду на метр квадратный (фотон/с/м²).
Когда свет попадает на поверхность, некоторые фотоны отражаются, а некоторые поглощаются. Оставшиеся фотоны проходят через поверхность и могут быть обнаружены с помощью фотодатчиков. Интенсивность света зависит от количества фотонов, которые проходят через поверхность за единицу времени, и от качества поверхности.
Например, если мы рассматриваем интенсивность света, исходящего от Солнца, то она может достигать десятков тысяч фотонов в секунду на квадратный метр. Однако, если мы рассмотрим интенсивность света, испускаемого лампой накаливания, то она будет значительно ниже, около нескольких сотен фотонов в секунду на квадратный метр.
Интенсивность света имеет важное значение во многих областях науки и технологии, включая оптику, физику, медицину, астрономию и многие другие. Она также используется для оценки качества света и его эффективности в различных приложениях, например, в системах освещения, фотокамерах, медицинских приборах и т.д.
Другие свойства световых волн
- Угол падения света — это угол между направлением распространения света и нормалью к поверхности. Угол падения определяется формулой θ = arctg(sinθ) = arctan(n*sinθ), где n — показатель преломления среды, в которой распространяется свет, а sinθ — синус угла падения.
- Угол отражения света — это угол между отраженной волной и нормалью к поверхности. Он определяется формулой θ’ = arctan((n*sinθ)/(cosθ)), где θ’ — угол отражения, n — показатель преломления среды.
- Угол преломления света — это угол между преломленной волной и нормалью к границе раздела сред.
Применение световых волн
Световая волна может использоваться в различных областях, включая:
- Оптика: Для создания изображений и передачи информации. Например, в камерах и дисплеях используются световые волны для формирования изображения. Также световые волны используются в оптических системах связи.
- Фотосинтез: Световые волны могут использоваться для активации фотосинтетических процессов у растений и других организмов, которые используют свет для получения энергии.
- Медицина: Использование световых волн может помочь в диагностике и лечении различных заболеваний. Например, световые волны могут быть использованы для диагностики рака и других заболеваний.
- Технология: Свет может использоваться для создания различных устройств и технологий. Например, светодиоды и лазеры используются в производстве, медицине, автомобильной промышленности и других отраслях.
- Космическая техника: Свет играет важную роль в космических технологиях, таких как навигация и связь. Например, спутники используют световые сигналы для передачи информации на Землю.
- Наука: Свет используется в научных исследованиях для изучения свойств материи и энергии. Например, лазеры используются для исследования атома и создания новых материалов.
Это только некоторые примеры применения световых волн, и их использование продолжает расширяться.