Лабораторная работа 8, страница 421 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ⁸

№ 8. НАБЛЮДЕНИЕ СПЛОШНОГО И ЛИНЕЙЧАТОГО СПЕКТРОВ

Цель работы: наблюдать разного вида спектры.

Оборудование: проекционный аппарат, спектральные трубки с водородом, неоном или гелием, высоковольтный индуктор, источник питания, штатив, соединительные провода (эти приборы общие для всего класса), стеклянная пластина со скошенными гранями (на каждого учащегося).

Порядок выполнения работы

При попадании излучения нагретого твёрдого тела на призму мы получаем непрерывный (сплошной) спектр, состоящий из участков, окрашенных в разные цвета. Если источником света является, например, одноатомный газ, то мы получаем линейчатый спектр, состоящий из отдельных линий.

Наблюдать спектры можно с помощью дифракционной решётки, а также с помощью призмы. В первом случае нам помогает явление дифракции света, а во втором — явление дисперсии. В этой работе для наблюдения спектров мы используем явление дисперсии.

1. Расположите пластину горизонтально перед глазом. Сквозь грани, составляющие угол $45^\circ$, наблюдайте светлую вертикальную полоску на экране — изображение раздвижной щели проекционного аппарата.

2. Выделите основные цвета полученного сплошного спектра и запишите их в наблюдаемой последовательности.

3. Повторите опыт, рассматривая полоску через грани, образующие угол $60^\circ$. Запишите различия наблюдаемых спектров.

4. Наблюдайте линейчатые спектры водорода, гелия или неона, рассматривая светящиеся спектральные трубки сквозь грани стеклянной пластины. Запишите наиболее яркие линии спектров.

5. Объясните, почему вид спектров различен в зависимости от способа его наблюдения, для этого нарисуйте ход лучей при разных углах между гранями для лучей двух разных длин волн. Сделайте выводы.

2. Выделите основные цвета полученного сплошного спектра и запишите их в наблюдаемой последовательности.

При наблюдении сплошного спектра, полученного от лампы проекционного аппарата, видна непрерывная цветная полоса, в которой цвета плавно переходят друг в друга. Эта полоса напоминает радугу. В порядке от наименее отклоненного света к наиболее отклоненному, цвета располагаются следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Ответ: Основные цвета сплошного спектра в порядке их следования: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

3. Повторите опыт, рассматривая полоску через грани, образующие угол 60°. Запишите различия наблюдаемых спектров.

При наблюдении спектра через грани стеклянной пластины, образующие угол 60°, полученный спектр оказывается заметно шире, чем спектр, наблюдаемый через грани с углом 45°. Это означает, что угловое расстояние между крайними цветами спектра (красным и фиолетовым) увеличивается. Цвета в спектре становятся более "растянутыми", что позволяет лучше их различать. Увеличение ширины спектра связано с тем, что призма с большим преломляющим углом обладает большей угловой дисперсией.

Ответ: Спектр, наблюдаемый через грани с углом 60°, шире и цвета в нем более растянуты по сравнению со спектром, наблюдаемым через грани с углом 45°.

4. Наблюдайте линейчатые спектры водорода, гелия или неона, рассматривая светящиеся спектральные трубки сквозь грани стеклянной пластины. Запишите наиболее яркие линии спектров.

Линейчатый спектр, в отличие от сплошного, не является непрерывной полосой. Он состоит из набора отдельных, четко разделенных ярких цветных линий, расположенных на темном фоне. Положение и цвет этих линий уникальны для каждого химического элемента.

• Спектр неона характеризуется большим количеством ярких линий в красной и оранжевой частях видимого диапазона, что придает его свечению характерный красно-оранжевый оттенок.

• Спектр водорода в видимой области содержит несколько ярких линий (серия Бальмера): наиболее яркая красная линия ($H_\alpha$), сине-зеленая ($H_\beta$), синяя ($H_\gamma$) и несколько фиолетовых линий.

Ответ: Линейчатый спектр состоит из отдельных цветных линий на темном фоне. У неона наиболее яркие линии — красные и оранжевые. У водорода — яркая красная, сине-зеленая и фиолетовые линии.

5. Объясните, почему вид спектров различен в зависимости от способа его наблюдения, для этого нарисуйте ход лучей при разных углах между гранями для лучей двух разных длин волн. Сделайте выводы.

Решение

Различие в ширине спектров при наблюдении через грани с разными углами (45° и 60°) объясняется явлением дисперсии света и его зависимостью от геометрии призмы.

Принцип дисперсии: Явление дисперсии заключается в зависимости показателя преломления среды ($n$) от длины волны ($λ$) проходящего света. Для стекла и других прозрачных веществ в видимой области спектра показатель преломления для фиолетового света ($n_ф$) больше, чем для красного света ($n_к$), так как фиолетовый свет имеет меньшую длину волны. То есть, $n_ф > n_к$.

Прохождение света через призму: Когда белый свет попадает на призму, он преломляется на обеих гранях. Из-за дисперсии свет с разной длиной волны преломляется под разными углами. Угол отклонения луча ($δ$) от его первоначального направления зависит как от показателя преломления $n$, так и от преломляющего угла призмы $A$. Так как $n_ф > n_к$, фиолетовый свет отклоняется на больший угол, чем красный ($δ_ф > δ_к$), в результате чего белый свет разлагается в спектр.

Влияние преломляющего угла A: Увеличение преломляющего угла призмы $A$ приводит не только к увеличению общего угла отклонения $δ$ для всех цветов, но и к увеличению угловой дисперсии, то есть разности углов отклонения для разных цветов ($\Delta\delta = \delta_ф - \delta_к$). Чем больше угловая дисперсия, тем шире наблюдаемый спектр.

Схематический ход лучей:

На рисунках показан ход лучей для двух длин волн (красной и фиолетовой) через призмы с разными преломляющими углами $A$.

Как видно из схем, призма с большим углом $A_2 > A_1$ создает большее угловое расхождение между фиолетовым и красным лучами. Это и является причиной того, что спектр, наблюдаемый через грани с углом 60°, шире.

Выводы:

1. Стеклянная пластина со скошенными гранями функционирует как призма, разлагая свет в спектр благодаря явлению дисперсии.

2. Ширина наблюдаемого спектра напрямую зависит от преломляющего угла призмы: чем больше преломляющий угол, тем больше угловая дисперсия и, следовательно, тем шире спектр.

3. Тип наблюдаемого спектра (сплошной или линейчатый) определяется физической природой источника света, а не способом наблюдения.

Ответ: Различие в виде спектров при наблюдении через грани с разными углами обусловлено явлением дисперсии. Призма с большим преломляющим углом (60°) создает большую угловую дисперсию, чем призма с меньшим углом (45°), что приводит к "растягиванию" спектра и делает его визуально шире. Это показано на приведенных схемах хода лучей.