чем определяется цвет тела естествознание
§ 20. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры
У этой, по крайней мере, лицо
не вовсе бессмысленное.
Правда, умом оно не блещет,
но что поделаешь!
Зато цвет у нее правильный,
а это уже кое-что!
Л. Кэрролл
Как взаимодействуют поле и вещество? Чем определяется цвет веществ? Какой величиной характеризуется энергия волны? Что такое спектры веществ? Какие бывают спектры? Что дает исследование спектров веществ? Что такое тепловое излучение? Что такое абсолютно черное тело? Какими особенностями обладают спектры теплового излучения?
Урок-лекция
Две составляющие материи — поле и вещество — живут в тесной взаимосвязи друг с другом. С одной стороны, вещество является источником поля, с другой — поле воздействует на вещество с некоторой силой. В этом параграфе мы рассмотрим такие специфические особенности взаимодействия поля и вещества, как цвет и спектры.
ЦВЕТ ВЕЩЕСТВА. Одним из первых научных опытов, связанных с исследованием цвета и спектров, был опыт Исаака Ньютона, который пропустил солнечный свет через призму и получил спектр солнечного излучения (рис. 14).
Рис. 14. Разложение солнечного излучения в спектр при помощи призмы
Впоследствии выяснилось, что каждой узкой полоске этого спектра соответствует волна определенной длины волны (значения длин волн также изображены на рисунке). Таким образом, зрительное ощущение цвета связано с тем, что глаз по-разному реагирует на электромагнитные волны разной длины. Это объясняется устройством рецепторов сетчатки глаза человека.
Но почему то или иное вещество имеет определенный цвет?
Вещество и поле обладают таким общим качеством, как энергия. В процессе взаимодеиствия поля волны с веществом (точнее, с заряженными частицами, составляющими вещество) поле может отдать энергию веществу. В этом случае происходит поглощение электромагнитной волны. Противоположный процесс, когда вещество отдает энергию полю, называют излучением. Наконец, вещество может взаимодействовать с электромагнитной волной, изменяя ее, но не обмениваясь с ней энергией. К таким процессам относят отражение и преломление волны.
Цвет вещества зависит от того, какие процессы взаимодействия вещества и поля имеют место. Рассмотрим в качестве примера зеленый цвет листа растения. В темноте цвет листа не виден. Мы можем наблюдать свет, отраженный от листа растения, или свет, прошедший через лист (в обоих случаях зеленый). Цвет в этих случаях определяется тем, что вещество листа поглощает свет всех длин волн, кроме волны, соответствующей зеленому цвету. Белое тело абсолютно одинаково хорошо отражает все волны, ничего не поглощая. Напротив, абсолютно черное тело совершенно не отражает волны, поглощая все излучение. Некоторые вещества, например сажа, близки по свойствам к абсолютно черному телу.
Игорь Грабарь. Зимний день
Быть может, вся Природа — мозаика цветов?
Быть может, вся Природа — различье голосов?
Быть может, вся Природа — лишь числа и черты?
Быть может, вся Природа — желанье красоты?
Противоположный случай имеет место, когда вещество излучает свет без воздействия внешней электромагнитной волны. Например, газовая горелка излучает синий свет. Этот цвет обусловлен тем, что вещество в момент горения преимущественно излучает свет, соответствующий длине волны синего цвета.
Цвет отраженного от вещества и прошедшего через вещество света определяется способностью вещества по-разному поглощать свет различной длины волны.
Цвет вещества, излучающего электромагнитную волну без воздействия внешнего поля, определяется различной способностью этого вещества излучать электромагнитную волну того или иного диапазона. Таким образом, цвет является характеристикой вещества и процесса взаимодействия поля с веществом
СПЕКТРЫ ВЕЩЕСТВА. Более детальную информацию о взаимодействии излучения и вещества дают спектры веществ. В простейшем опыте спектр вещества можно получить, пропуская свет через призму, как это сделал Ньютон. При этом излучению одного цвета могут соответствовать различные спектры. Например, спектр желтого излучения паров натрия, приведенный на рисунке 15, представляет собой две узкие линии и совсем не похож на спектр излучения Солнца (см. рис. 14). Подобные спектры, состоящие из отдельных линий, называют линейчатыми в отличие от спектров типа спектра Солнца, которые называют сплошными.
Рис. 15. Спектр натрия
Но если Солнце излучает свет волн разной длины, то почему оно желтое? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сделать определенные измерения. Из того, что было сказано в начале параграфа, следует, что измерять нужно некоторую энергетическую характеристику волны. Такой характеристикой является интенсивность.
На рисунке 16 приведена зависимость интенсивности солнечного излучения от длины волны. Именно такую зависимость на научном языке и называют спектром. Иногда на графиках приводится зависимость интенсивности от частоты волны. Такую зависимость также называют спектром.
Вспомните, что длина волны и частота волны связаны простым соотношением.
Из приведенного на рисунке 16 спектра Солнца понятно, почему Солнце желтого цвета. Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на волну, соответствующую желтому цвету. Ну а что же представляет собой спектр натрия, изображенный в виде графика? Это одинокий узкий пик. который при применении хорошего прибора виден как раздвоенный.
Рис. 16. Спектры излучения абсолютно черного тела и Солнца
Спектры различных веществ различаются между собой и позволяют настолько же точно идентифицировать вещество (смесь веществ), как отпечатки пальцев позволяют идентифицировать человека.
СПЕКТРЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Чтобы самостоятельно излучать электромагнитную волну, заряженные частицы должны обладать определенной энергией. Эта энергия может приобретаться частицами в результате различных процессов. В том случае, когда вещество находится вблизи состояния термодинамического равновесия, энергия частиц — это энергия теплового (хаотического) движения. Излучение такого вещества называют тепловым излучением.
Тепловое излучение характерно для любого нагретого тела. Наиболее просто выглядит спектр излучения абсолютно черного тела (см. рис. 16).
Его интенсивность увеличивается с температурой. Длина волны в максимуме излучения при увеличении температуры сдвигается в сторону более коротких длин волн. Спектр излучения звезд похож на спектр излучения абсолютно черного тела. Отсюда, в частности, следует, что голубые звезды имеют более высокую температуру, чем желтые.
Интенсивностью называют энергию, переносимую электромагнитной волной через единицу площади в единицу времени.
Спектром называют зависимость интенсивности света от длины волны или частоты света.
§ 20. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры
У этой, по крайней мере, лицо
не вовсе бессмысленное.
Правда, умом оно не блещет,
но что поделаешь!
Зато цвет у нее правильный,
а это уже кое-что!
Л. Кэрролл
Как взаимодействуют поле и вещество? Чем определяется цвет веществ? Какой величиной характеризуется энергия волны? Что такое спектры веществ? Какие бывают спектры? Что дает исследование спектров веществ? Что такое тепловое излучение? Что такое абсолютно черное тело? Какими особенностями обладают спектры теплового излучения?
Урок-лекция
Две составляющие материи — поле и вещество — живут в тесной взаимосвязи друг с другом. С одной стороны, вещество является источником поля, с другой — поле воздействует на вещество с некоторой силой. В этом параграфе мы рассмотрим такие специфические особенности взаимодействия поля и вещества, как цвет и спектры.
ЦВЕТ ВЕЩЕСТВА. Одним из первых научных опытов, связанных с исследованием цвета и спектров, был опыт Исаака Ньютона, который пропустил солнечный свет через призму и получил спектр солнечного излучения (рис. 14).
Рис. 14. Разложение солнечного излучения в спектр при помощи призмы
Впоследствии выяснилось, что каждой узкой полоске этого спектра соответствует волна определенной длины волны (значения длин волн также изображены на рисунке). Таким образом, зрительное ощущение цвета связано с тем, что глаз по-разному реагирует на электромагнитные волны разной длины. Это объясняется устройством рецепторов сетчатки глаза человека.
Но почему то или иное вещество имеет определенный цвет?
Вещество и поле обладают таким общим качеством, как энергия. В процессе взаимодеиствия поля волны с веществом (точнее, с заряженными частицами, составляющими вещество) поле может отдать энергию веществу. В этом случае происходит поглощение электромагнитной волны. Противоположный процесс, когда вещество отдает энергию полю, называют излучением. Наконец, вещество может взаимодействовать с электромагнитной волной, изменяя ее, но не обмениваясь с ней энергией. К таким процессам относят отражение и преломление волны.
Цвет вещества зависит от того, какие процессы взаимодействия вещества и поля имеют место. Рассмотрим в качестве примера зеленый цвет листа растения. В темноте цвет листа не виден. Мы можем наблюдать свет, отраженный от листа растения, или свет, прошедший через лист (в обоих случаях зеленый). Цвет в этих случаях определяется тем, что вещество листа поглощает свет всех длин волн, кроме волны, соответствующей зеленому цвету. Белое тело абсолютно одинаково хорошо отражает все волны, ничего не поглощая. Напротив, абсолютно черное тело совершенно не отражает волны, поглощая все излучение. Некоторые вещества, например сажа, близки по свойствам к абсолютно черному телу.
Игорь Грабарь. Зимний день
Быть может, вся Природа — мозаика цветов?
Быть может, вся Природа — различье голосов?
Быть может, вся Природа — лишь числа и черты?
Быть может, вся Природа — желанье красоты?
Противоположный случай имеет место, когда вещество излучает свет без воздействия внешней электромагнитной волны. Например, газовая горелка излучает синий свет. Этот цвет обусловлен тем, что вещество в момент горения преимущественно излучает свет, соответствующий длине волны синего цвета.
Цвет отраженного от вещества и прошедшего через вещество света определяется способностью вещества по-разному поглощать свет различной длины волны.
Цвет вещества, излучающего электромагнитную волну без воздействия внешнего поля, определяется различной способностью этого вещества излучать электромагнитную волну того или иного диапазона. Таким образом, цвет является характеристикой вещества и процесса взаимодействия поля с веществом
СПЕКТРЫ ВЕЩЕСТВА. Более детальную информацию о взаимодействии излучения и вещества дают спектры веществ. В простейшем опыте спектр вещества можно получить, пропуская свет через призму, как это сделал Ньютон. При этом излучению одного цвета могут соответствовать различные спектры. Например, спектр желтого излучения паров натрия, приведенный на рисунке 15, представляет собой две узкие линии и совсем не похож на спектр излучения Солнца (см. рис. 14). Подобные спектры, состоящие из отдельных линий, называют линейчатыми в отличие от спектров типа спектра Солнца, которые называют сплошными.
Рис. 15. Спектр натрия
Но если Солнце излучает свет волн разной длины, то почему оно желтое? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сделать определенные измерения. Из того, что было сказано в начале параграфа, следует, что измерять нужно некоторую энергетическую характеристику волны. Такой характеристикой является интенсивность.
На рисунке 16 приведена зависимость интенсивности солнечного излучения от длины волны. Именно такую зависимость на научном языке и называют спектром. Иногда на графиках приводится зависимость интенсивности от частоты волны. Такую зависимость также называют спектром.
Вспомните, что длина волны и частота волны связаны простым соотношением.
Из приведенного на рисунке 16 спектра Солнца понятно, почему Солнце желтого цвета. Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на волну, соответствующую желтому цвету. Ну а что же представляет собой спектр натрия, изображенный в виде графика? Это одинокий узкий пик. который при применении хорошего прибора виден как раздвоенный.
Рис. 16. Спектры излучения абсолютно черного тела и Солнца
Спектры различных веществ различаются между собой и позволяют настолько же точно идентифицировать вещество (смесь веществ), как отпечатки пальцев позволяют идентифицировать человека.
СПЕКТРЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Чтобы самостоятельно излучать электромагнитную волну, заряженные частицы должны обладать определенной энергией. Эта энергия может приобретаться частицами в результате различных процессов. В том случае, когда вещество находится вблизи состояния термодинамического равновесия, энергия частиц — это энергия теплового (хаотического) движения. Излучение такого вещества называют тепловым излучением.
Тепловое излучение характерно для любого нагретого тела. Наиболее просто выглядит спектр излучения абсолютно черного тела (см. рис. 16).
Его интенсивность увеличивается с температурой. Длина волны в максимуме излучения при увеличении температуры сдвигается в сторону более коротких длин волн. Спектр излучения звезд похож на спектр излучения абсолютно черного тела. Отсюда, в частности, следует, что голубые звезды имеют более высокую температуру, чем желтые.
Интенсивностью называют энергию, переносимую электромагнитной волной через единицу площади в единицу времени.
Спектром называют зависимость интенсивности света от длины волны или частоты света.
Чем определяется цвет тела естествознание
Цвет тела, являющегося самостоятельным источником света, определяется его составом, строением, внешними условиями и процессами, протекающими в этом теле.
Поскольку цвет такого тела связан с составом распространяющегося от него излучения, то, изучив особенности его спектра, можно получить много важных сведений о нем. Цвет вторичных источников света зависит еще и от состава падающего на них излучения.
Вспомним, что цвет прозрачного тела определяется составом того света, который проходит сквозь это тело. Освещая белым светом различные прозрачные тела, можно заметить, что в проходящем свете одни из них остаются бесцветными, а другие имеют окраску. Если с помощью призмы получить спектр того излучения, которое проходит сквозь тело, то будет видно, что в спектре бесцветного тела имеются лучи всех цветов радуги, а спектры окрашенных тел состоят из более или менее широких окрашенных полос нескольких цветов, а иногда и из узкой полосы почти одного цвета. Последнее получается у некоторых светофильтров — цветных стекол, пропускающих лучи одного цвета. Это означает, что многие прозрачные тела неодинаково поглощают излучение различных цветов. Например, красный светофильтр сильно поглощает излучение всех цветов, кроме красного, а желтый — поглощает только красные и фиолетовые лучи.
Каждое вещество имеет свой спектр поглощения. Если прозрачное вещество равномерно поглощает лучи всех цветов, то в проходящем свете при освещении белым светом оно бесцветно, а при цветном освещении оно имеет цвет тех лучей, которыми оно освещено. При очень сильном поглощении лучей всех цветов тело кажется нам черным. Когда тело обладает избирательным поглощением, то при освещении лучами одного из тех цветов, которые оно пропускает, тело окрашено в тот же цвет. Если же это тело освещают такими лучами, которые оно поглощает, то оно становится черным, т. е. непрозрачным.
Цвет непрозрачного тела в отраженном свете определяется смесью лучей тех цветов, которые оно отражает. Если тело равномерно отражает лучи всех цветов радуги, то при освещении белым светом оно кажется белым, а при цветном освещении кажется окрашенным в цвет падающих на него лучей.
Многие непрозрачные тела преимущественно поглощают определенную часть видимого излучения. Поэтому при освещении белым светом они кажутся окрашенными. Если эти тела освещать теми лучами, которые они поглощают, то в отраженном свете они кажутся черными. Часто цвет телу придает окраска его поверхности. Смешение красок создает цвет, отличный от цвета, получающегося при смешении лучей тех же цветов. Напомним, что смешение желтого и синего лучей дает белый свет, а смешение желтой и синей краски окрашивает поверхность в зеленый цвет (см. цветной форзац). Объясняется это тем, что желтая краска отражает только желтые и зеленые лучи, а синяя краска отражает синие и зеленые лучи. Таким образом, обе эти краски вместе отразят только зеленые лучи.
Оказывается, что с помощью смешения трех красок (желтой, синей и пурпурной) можно окрасить поверхность в любой цвет. Поэтому для цветной печати основными являются желтая, синяя и пурпурная краски.
Из изложенного выше следует, что цвет прозрачного тела в проходящем и в отраженном свете может быть совершенно различным. Поскольку окраска тел сильно зависит от состава падающего на них излучения, приобретать окрашенные вещи, например ткани, надо при дневном свете.
Конспект урока Естествознание, 10 класс Урок 13. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры
Естествознание, 10 класс
Урок 13. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме;
Как взаимодействуют поле и вещество;
Чем определяется цвет веществ;
Волновые свойства света;
Что такое спектры веществ;
Какое тело называют абсолютно черным;
Что даёт исследование спектров веществ;
Спектр излучения – совокупность частот (длин волн), содержащихся в излучении.
Дисперсия – зависимость показателя преломления среды от длины световой волны.
Спектр светового потока – характеристика, показывающая интенсивность и длину волн (частот), из которых этот поток состоит.
Спектр линейчатый – спектральные линии, имеющие определенную интенсивность и разделенные темными промежутками.
Спектр сплошной – спектральные линии излучения без разрыва.
Абсолютно черное тело – идеализированная модель тела, которое способно полностью поглощать все падающие не него излучения любой длины волны при любой температуре; позволяет плодотворно излучать закономерности теплового излучения.
Тепловое излучение – излучение, испускаемое нагретым телом.
Основная и дополнительная литература по теме урока :
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017: с 59-62.
Спектр (Статья) Универсальная научно-познавательная энциклопедия «Кругозор» http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/SPEKTR.html
Теоретический материал для самостоятельного изучения
В повседневной жизни мы видим многообразие цветов. Чтобы разобраться с этим, нужно обратиться к опытам И. Ньютона, который одним из первых провел опыты по исследованию цвета. Занимаясь усовершенствованием линз, его заинтересовала радужная полоска по краям изображения. В 1666 году поставленный им опыт показал, что солнечный свет, проходя через призму, дает разноцветную полоску, которую он назвал спектром. В спектре солнечного света можно различить семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. При этом, соединив этот спектр с помощью собирающей линзы, снова образуется белый свет. И. Ньютон делает вывод, что цвет не является свойством тела, как это считалось ранее. Он делает важный вывод, что наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше всех – красные. Эту зависимость преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией.
Позднее Томас Юнг, опытным путем обнаруживает, что свет обладает волновыми свойствами. И установил, что каждому цвету соответствует волна определённой длины. Следовательно, наши зрительные ощущения цвета связаны с разным действием электромагнитных волн на светочувствительные клетки (рецепторы сетчатки) глаза. Например, некоторые животные не различают цвета, а другие воспринимают только один цвет.
При этом, в чем физический смысл того, что трава зеленая, а небо голубое? Чтобы ответить на этот вопрос нужно вспомнить общую характеристику поля и вещества как энергия.
При взаимодействии энергия может поглощаться, излучаться, отражаться и преломляться. Если при взаимодействии частиц вещества с электромагнитным полем, поле отдает энергию веществу, то волна поглощается. Противоположный процесс, когда вещество создает энергию поля – излучение. Возможны взаимодействия, когда энергия не изменяется, а меняется направление распространения. Следовательно, цвет является результатом взаимодействия поля и вещества.
Если тело полностью поглощает всю энергию света, то оно для нас будет выглядеть черным. Когда поверхность для нас выглядит синей (в белом свете), это означает, что при взаимодействии все электромагнитные волны были поглощены и только волны соответствующие синему цвету отразились. При этом, если тело белое, это значит, что оно полностью отразит энергию электромагнитных волн всех длин волн. Ну и наконец, пламя газовой горелки окрашено голубым цветом: вещество в момент горения излучает энергию в диапазоне этого цвета.
Свойства разных веществ по-разному взаимодействовать с электромагнитным полем, дают подробную информацию о составе и структуре вещества.
Белый свет создает сплошную картинку цветов плавно переходящих от одного к другому. Такой спектр называют сплошным (непрерывным):
Если испарить частицу вещества и нагреть ее, чтобы она стала светиться, то спектр получится как набор отдельных узких полосок определенного цвета. При этом у каждого вещества свой неповторимый спектр:
Если не нагревать частицу вещества, тогда при пропускании белого света, атом поглотит характерные для него излучения:
Спектры светового потока, по своей сути, характеристика, показывающая интенсивность и длину волны (частоту), из которой этот поток состоит. Спектры у каждого атома неповторимы. Исследуя спектр вещества однозначно можно определить его состав.
Если посмотреть на распределение энергии в спектрах излучения абсолютно черного тела (при разных температурах черного тела и Солнца заметно, что максимум интенсивности солнечного излучения приходится на волны соответствующие желтому цвету).
Не менее интересен вопрос откуда берется свет. Чтобы тело стало излучать электромагнитные волны, они должны обладать достаточной энергией. Эта энергия, позволяющая веществу излучать свет может быть получена в результате разных процессов. Если эта энергия связана только с энергией теплового (хаотического) движения атомов и молекул вещества, т.е. за счет внутренней энергии, тогда мы имеем дело с тепловым излучением. Оно характерно для любого нагретого тела. Даже наши тела постоянно излучают тепловую энергию, только она не видна, т.к. находится в области инфракрасных волн. При высоких температурах излучаются короткие электромагнитные волны, при низких преимущественно длинные. Тепловое излучение имеет сплошной спектр – содержит электромагнитные волны всех длин волн от нуля до бесконечности. Другими словами спектр содержит от радио до гамма диапазонов, включая и диапазон волн видимого света.
Интенсивность светового излучения нагреваемого тела меняется от температуры. Так нагревая кусок железа, мы можем нагреть его настолько, что он начинает светиться красным цветом. Повышая температуру, мы можем раскалить его до бела. Таким образом, интенсивность излучения возрастает с увеличением температуры нагрева тела и уменьшением длины волны.
Излучение звёзд и Солнца имеет спектральный состав, близкий к спектральному составу излучения черного тела. Что позволяет к ним применять законы теплового излучения черного тела. Таким образом, астрономы по цвету звезд могут определить их температуру. В частности, выяснили, что температура наружных слоев Солнца приблизительно 6170 К.
Резюме теоретической части
Поле и вещество взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Одним из примеров взаимодействия являются цвет и спектры. Свет, обладая волновой природой, переносит импульс и энергию. Свет и вещество могут взаимодействовать, при этом энергия может поглощаться, излучаться, отражаться и преломляться. Что и определяет цвет вещества.
Белый свет представляет собой совокупность различных длин волн. Пучок света при прохождении через призму распределяется по длинам волн в спектр.
Свойства разных веществ по-разному взаимодействовать с электромагнитным полем, дают подробную информацию о составе и структуре вещества. На этом свойстве основан спектральный анализ веществ.
Изучая спектры можно оценить энергию, которую переносит излучение. Такая характеристика волн называется интенсивностью. Эта характеристика зависит от температуры и длины волны.
Источником света могут быть нагретые тела. При этом, чем выше температура, тем ниже длина электромагнитных волн.
Изучение спектров излучения позволяет определить химический состав, температуру и другие параметры.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.
Задание 1. Расположите цвета в порядке уменьшения показателя преломления.
Варианты: красный, синий, жёлтый, оранжевый, фиолетовый, зелёный
Ответ : Фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный
Пояснение: Показатель преломления связан с длиной волны. Чем больше длина волны, тем меньше электромагнитная волна изменяет направление распространения и наоборот. С самой маленькой длиной волны из видимого спектра электромагнитных волн являются красные, самую большую длину волны – фиолетовые.
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.