Школьный курс физики кажется совсем не сложным, понятным и достаточно интересным. Не так уж трудно объяснить на уроке учителю, чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного, и получить хорошую оценку. Но когда речь идет о физике в высших учебных заведениях, все резко усложняется. Некоторые задачки могут заставить провести за их решением не одну бессонную ночь.
Разные способы разложения света на спектр
И дифракция и дисперсия представляют собой разложение светового луча на составляющие , но всегда есть свои нюансы:
Опыт с дисперсией многие видели на уроках физики. Для этого достаточно было направить луч на призму, рядом с которой находился простой альбомный лист. И обычный солнечный свет или направленный луч из фонарика раскладывался на все цвета радуги.
Но при этом, красный цвет занимал на листе совсем немного места , ширина остальных цветов увеличивалась, по направлению к фиолетовому. Именно он занимал значительную часть всего спектра.
Наибольший порядок спектра дифракционной решетки
Оптика это точная наука, которая требует логического мышления и верных расчетов. Некогда физики вывели формулу, которой мы можем пользоваться, по сей день:
В этом сложном, но только на первый взгляд, равенстве, искомой величиной является k - порядок спектра:
- λ - длина волны света, падающего на решетку.
- φ - угол дифракции.
- ά - угол падения на решетку световой волны.
- đ - период решетки.
Из этого равенства можно вывести интересующую нас формулу , для определения максимального порядка спектра. Для этого достаточно правую часть равенства поделить на длину световой волны, при этом синус угла дифракции можно заменить единицей, для простоты вычисления.
Часть из необходимых для вычисления величин - постоянная, так что никаких проблем возникнуть не должно. Главное, не запутаться в подсчетах.
К сожалению, порой наука слишком далеко отходит от практики и смысл большинства таких вычислений для студентов и школьников остается загадкой, они решают это как абстрактную задачку, никоим образом не связанную с реальной жизнью.
Простой способ вычисления максимального порядка спектра
А еще у физиков есть более простой способ определения максимального порядка . Для формулы можно использовать значения из предыдущего равенства. Только в этот раз исходных данных будет гораздо меньше, а сами расчеты можно представить в виде:
Как несложно понять, искомое значение напрямую зависит от периода решетки и длины волны . Синусы мы благополучно откинули, а максимальный порядок выразили в виде m.
На деление двух чисел сложно потратить больше минуты, так что любая задача на оптику, в которой требуется лишь определить значение порядка, не займет так уж много времени. Но чаще всего это вычисление - только первый шаг на пути к поиску ответа на более сложный вопрос.
Если разобраться в вопросе и вникнуть в суть понятия, формула кажется предельно логичной. Проще всего решать задачу с белым светом, ведь в таком случае длина волны одинакова для всего светового потока.
А теперь представьте, что в потоке несколько оттенков, которые, конечно же, имеют разную длину . Задача несколько усложняется, на вычисления уйдет больше времени. А так уж вышло, в реальной жизни, что волны исключительно белого света встречаются крайне редко.
Ширина дифракционного спектра
На опыте с призмой вы могли понаблюдать за неоднородностью и шириной спектра. Этот параметр имеет огромное значение в оптике , особенно когда речь идет о дифракционном спектре. Дело в том, что в отличие от дисперсионного он не сжат ни в одном направлении, все оттенки представлены равномерно и ширина зависит только от показателей самой решетки, с помощью которой и проводится разложение луча на спектр. В то время как значения ширины дисперсионного спектра зависит от длины волны. В дифракционной решетке:
- Есть прозрачные штрихи.
- Есть непрозрачные промежутки.
- Сумма их длин является периодом решетки.
- Получить это значение можно поделив единицу на количество штрихов на единицу длины решетки.
Интересующая нас ширина спектра находится в обратной зависимости от периода решетки, который уже фигурировал в предыдущих формулах. Только теперь чем меньше этот период, тем больше ширина .
Если вернуться к определению максимального порядка, можно заметить, что с увеличением значения периода решетки возрастал и порядок. Из этого, чисто логически, несложно сделать еще один вывод - ширина дифракционного спектра и его максимальный порядок находятся в обратной взаимосвязи.
Чем меньше одно значение, тем больше другое, и наоборот. Конечно же, это знание не поможет получить точные значения. Но проверить свои вычисления, таким нехитрым способом, вполне реально.
Разница между спектрами
Чтобы выделить различия дисперсионного и дифракционного спектра, необходимо понять, что каждый из них собой представляет.
Дисперсионный:
- Появляется в результате разложения луча света на составляющие, после прохождения через призму.
- Распространяется от красного цвета к фиолетовому.
- Спектр сжат в том же направлении, наименьшей шириной обладает красный диапазон, наибольшей - фиолетовый.
- Может существовать только одна цветная картинка.
Дифракционный:
- Получается в результате попадания света на дифракционную решетку.
- Идет в обратном порядке, от фиолетового к красному цвету.
- Спектр равномерен на всем своем протяжении.
- Может быть несколько цветных картинок.
Вот и основные четыре различая, позволяющие понять, что представляют собой оба спектра. Хоть названия и немного созвучны, но в их основе лежат абсолютно разные принципы, так что не стоит путать эти понятия.
Со знания, чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного спектра, можно начать изучение оптики. Перспективы этой дисциплины недооценены, так что исследователей ждет гарантированная занятость в будущем, а может быть и серьезные открытия.
Видео: различия дифракционного и дисперсионного спектра
В этом видео ученый-физик Денис Логачев проведет урок, в котором расскажет об отличии дифракционного спектра от дисперсионного, мы узнаем, что такое дифракционная решетка:
На вопрос Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного? заданный автором Европейский
лучший ответ это Дисперсионный спектр получается при преломлении света призмой (радуга) .
Дифракционный спектр получается при дифракции на решётке.
Отличаются порядком цветов. В дисперсионном они идут (считая, от первоначального луча) - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый; в дифракционном (считая от главного максимума) - фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый, красный.
Ответ от 22 ответа
[гуру]
Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Чем отличается дифракционный спектр от дисперсионного?
Ответ от Ёаша Бодченко
[новичек]
дифракция - это волновое явление - рассеяние света (ну, электромагнитной волны в общем случае) на препятствии. В частности на щели.
Дифракционная решётка - это спектральный прибор, состоящий из большого количества щелей (параллельных). На каждой щели происходит дифракция света. При изменении угла наблюдения (относительно решётки) , между светом, прошедшим в определённом направлении от щелей возникает разность хода (между лучами из разных щелей). Для излучения с определённой длиной волны возникают максимумы при некоторых углах. Углы зависят от длины волны и от шага решётки.
Таким образом можно наблюдать спектр света, который падает на решётку (поскольку есть зависимость направления на спектральный максимум от длины волны) .
Длинноволновые сигналы отклоняются сильнее.
Главные максимумы есть нескольких порядков. Количество эффективно наблюдаемых (неперекрывающихся) зависит от ширины спектра наблюдаемого излучения и качества решётки (количества штрихов на мм) .
Дисперсия - это зависимость показателя преломления среды от длины волны электромагнитного излучения.
Поскольку от показателя преломления зависит отношения углов падения и преломления, призмой можно разложить свет на спектральные составляющие.
Здесь каждая составляющая идёт только в одном направлении.
Какой свет сильнее отклоняется - зависит от отношения показателей преломления среды и материала из которого сделана призма.
Отличия.
После призмы каждая спектральная составляющая отклоняется только в одном направлении. После дифракционной решётки - каждая составляющая идёт во всех направлениях, но неравномерно - имеет свои главные и побочные максимумы.
Визуально это проявляется так:
После призмы видна сплошная полоса или линейчатый спектр - от синего до красного.
После дифракционной решётки виден ахроматический максимум (посередине) и несколько максимумов справа и слева - уже расслаивающиеся на составляющие. Если рассматривается предмет - в максимумах первого порядка - его составляющие разных цветов могут перекрываться. Дальше они лучше разведены, но могут начать перекрываться соседние максимумы.
Природа явлений разная.
Частоты отклоняются по-разному.
Короче, дифракция - это "проникновение", дисперсия - огибание
Ответ от Ёебастьян Рачовски
[гуру]
Хм, странно, нам сегодня задали такой же вопрос. Кароч вроде все ответы перебрали, которые тут есть, а ей всё равно не нравится.
Ответ от разбросать
[гуру]
Мой мозг плавится!! ААА!
Ответ от сложносокращенный
[гуру]
Один сек.
Спектр есть набор значений. Например, длин волн. Белый свет представляет собой совокупность лучей света различных длин волн (различных цветов) ; если направить на поверхность трехгранной призмы пучок параллельных лучей света, то по выходе из призмы пучок уже не будет параллельным, а каждый луч пойдет по своему направлению, и на экране получится спектр волн разной длинны. Т. е. "радуга", полоски к-ой (они разного цвета) разнесены на разное расстояние. Набор этих полосок и есть дисперсионный спектр. Т. е. дисперсионный спектр - это спектр волн (имеется в виду их длин) , полученный в результате разной степени преломления волн разной длины (разного цвета). Если короче: дисп. спектр - это спектр, полученный в результате дисперсии. С чем же связано понятие дифракционного спектра? Конечно же с дифракцией - огибанием волн различных препятствий, размеры к-ых соизмеримы с размерами рассматриваемых волн. Например, во время дождя образуются мелкие капельки воды в атмосфере, что приводит к дифракции. Однако разные длины волн дифрагируют по разному - они ведь разной длины. Дифрагируют по разному, значит отклоняются на разные расстояния. Поэтому мы можем наблюдать радугу во время дождя. Итак, дифракционный спектр - это спектр волн, полученный в результате различий огибания препятсвий волн разной длинны. Если короче: дифр. спектр - это спектр, полученный в результате дифракции. Обобщение: слова "дисперсионный" или "дифракционный" спектр дополняют о чем идет речь - о процессе дисперсии, или процессе дифракции. Вообще можно говорить и о волне одной длинны. Тогда спектр будет состоять из одной полоски. Хотя в случае дифракции тогда возможно еще и перераспределение интенсивности волны на экране - это называют дифракционной картиной.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Дифракционным спектром называют распределение интенсивности на экране, которое получается в результате дифракции.
При этом основная часть световой энергии сосредоточена в центральном максимуме.
Если в качестве рассматриваемого прибора, при помощи которого осуществляется дифракция, взять дифракционную решётку, то из формулы:
(где d - постоянная решетки; - угол дифракции; - длина волны света; . - целое число), следует, что угол под которым возникают главные максимумы связан с длиной волны падающего на решетку света (свет на решетку падает нормально). Это означает, что максимумы интенсивности, которые дает свет разной длины волны, возникают в разных местах пространства наблюдения, что дает возможность применять дифракционную решетку как спектральный прибор.
Если на дифракционную решетку падает белый свет, то все максимумы за исключением центрального максимума, раскладываются в спектр. Из формулы (1) следует, что положение максимума го порядка можно определить как:
Из выражения (2) следует, что с увеличением длины волны, расстояние от центрального максимума до максимума с номером m увеличивается. Получается, что фиолетовая часть каждого главного максимума будет обращена к центру картины дифракции, а красная область наружу. Следует вспомнить, что при спектральном разложении белого света фиолетовые лучи отклоняются сильнее, чем красные.
Дифракционную решетку применяют как простой спектральный прибор, с помощью которого можно определять длину волны. Если известен период решетки, то нахождение длины волны света сведется к измерению угла, который соответствует направлению на избранную линию порядка спектра. Обычно используют спектры первого или второго порядков.
Следует отметить, что дифракционные спектры высоких порядков накладываются друг на друга. Так, при разложении белого света спектры второго и третьего порядков уже частично перекрываются.
Дифракционное и дисперсное разложение в спектр
При помощи дифракции, как и дисперсии можно разложить луч света на составляющие. Однако есть принципиальные отличия в этих физических явлениях. Так, дифракционный спектр - это результат огибания светом препятствий, например затемненных зон у дифракционной решетки. Такой спектр равномерно распространяется во всех направлениях. Фиолетовая часть спектра обращена к центру. Спектр при дисперсии можно получать при пропускании света сквозь призму. Спектр получается растянутым в фиолетовом направлении и сжатым в красном. Фиолетовая часть спектра занимает большую ширину, чем красная. Красные лучи при спектральном разложении отклоняются меньше, чем фиолетовые, значит, красная часть спектра ближе к центру.
Максимальный порядок спектра при дифракции
Используя формулу (2) и принимая во внимание то, что не может быть больше единицы, получим, что:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | На дифракционную решетку падает перпендикулярно ее плоскости свет с длиной волны равной =600 нм, период решетки равен м. Каков наибольший порядок спектра? Чему равно число максимумов в данном случае? |
| Решение | Основой для решения задачи служит формула максимумов, которые получают при дифракции на решетке в заданных условиях:
Максимальное значение m получится при Проведем вычисления, если =600 нм=м:
Количество максимумов (n) будет равно: |
| Ответ | =3; |
ПРИМЕР 2
| Задание | На дифракционную решетку, перпендикулярно ее плоскости падает монохроматический пучок света, имеющий длину волны . На расстоянии L от решетки находится экран, на нем с помощью линзы формируют спектральную дифракционную картину. Получают, что первый главный максимум дифракции расположен на расстоянии x от центрального (рис.1). Какова постоянная дифракционной решетки (d)? |
| Решение | Сделаем рисунок. |
В оптике различают дифракционный и дисперсионный световые спектры. В чем их особенности?
Что представляет собой дифракционный спектр?
Данный спектр образуется при прохождении света через множество небольших отверстий или щелей. Так, его можно разглядеть, если прищуриться и посмотреть на солнце или лампу. Если обратить внимание на луну зимой в мороз, то вокруг нее несложно увидеть разноцветные круги: они также являются дифракционными спектрами . В данном случае они образуются вследствие прохождения света через замерзшие частицы воды в атмосфере. В целях проведения научных экспериментов своего рода эталонные дифракционные спектры создаются с помощью специальных дифракционных решеток.
Дифракционный спектр
Рассматриваемый вид спектра характеризуется отклонением лучей, которое является пропорциональным показателю длины волны. Поэтому ультрафиолетовые, а также фиолетовые лучи спектра, которые имеют короткие волны, отклоняются в наименьшей степени. В свою очередь, длинноволновые красные и инфракрасные - наоборот. Можно отметить, что рассматриваемый спектр в наибольшей степени растянут в сторону длинноволновых лучей.
Что представляет собой дисперсионный спектр?
Данный спектр образуется в результате преломления света - например, при его прохождении через призму. Выглядит он, таким образом, как совокупность световых полос разного цвета. Дисперсия света представляет собой разложение его потока, имеющего белый цвет, на монохроматические лучи, которые формируют световой спектр.
Дисперсионный спектр В истории физики известен примечательный факт: до того, как был открыт дисперсионный спектр , была распространена точка зрения, что белый свет окрашивается при прохождении через призму. Оказалось, что это не так.
В дисперсионном спектре наибольшее отклонение при преломлении свойственно фиолетовым лучам. Растягивается рассматриваемый спектр более равномерно, чем дифракционный, - по всем типам лучей, но при этом в наибольшей степени - в сторону коротковолновых.
Сравнение
Главное отличие дифракционного спектра от дисперсионного заключается в том, что первый спектр образуется в результате прохождения света через узкие отверстия (и иные не препятствующие прохождению лучей области между некоторыми близко расположенными объектами), а второй - в результате его преломления (например, вследствие прохождения через призму).
Также между рассматриваемыми спектрами могут наблюдаться различия с точки зрения:
- отклонения красных и фиолетовых лучей;
- степени растяжения спектра;
- степени растяжения спектра относительно красных и фиолетовых лучей.
Более наглядно отобразить то, в чем разница между дифракционным и дисперсионным спектром заключается с точки зрения отмеченных параметров, нам поможет небольшая таблица.
Обычный дневной свет состоит из семи основных цветов. При определённых условиях свет можно разложить на составляющие , то есть получить цветовой спектр.
В оптике, одном из разделов физики, различают два вида световых спектров – дисперсионный и дифракционный. Оба перечисленных явления основываются на волновой природе светового излучения, но в основе дифракции лежит его способности «обтекать» препятствия , а дисперсия основывается на способности света преломляться , распадаясь на отдельные составляющие.
Под термином «спектр» (латинское – «видение») подразумевается распределение волн по их частоте и длине . В данном случае рассматривается оптический спектр – разложение света на отдельные волны.
Данный термин, применительно к оптике, впервые ввёл английский физик И. Ньютон в 1670-х годах . Именно он выдвинул теорию о сложном составе простого солнечного света.
Дифракция
Слово «дифракция» переводится с латыни как «разлом», «перелом», а также «огибание».
Под данным физическим явлением подразумевается способность световой волны огибать препятствия, что характерно и для всех прочих волн – начиная от водных, и заканчивая электромагнитными и звуковыми.
Дифракционный спектр способен образовываться при прохождении светового потока через некие препятствия. В лабораторных условиях для получения дифракционного спектра обычно используют непрозрачный экран с проделанным в нём небольшим круглым или щелеобразным отверстием .
В первом случае получается сферическая , а во втором – плоская дифракционная волна. Для большей точности проводимых экспериментов, в оптических лабораториях создают особые, эталонные, дифракционные решётки со строго фиксированным размером отверстий.
Дифракционный спектр можно наблюдать не только в лабораторных условиях, но и в природе . В качестве примера можно взять цветные круги, образующиеся вокруг луны в морозную ночь .
Они появляются в результате огибания лучами лунного света мельчайших частичек замёрзшей воды, взвешенной в атмосфере. При дифракции света, он разлагается на составляющие в соответствии с длиной каждой световой волны.
Чем длиннее волна, тем на большую величину происходит её отклонение. Менее всего подвержены дифракционному отклонению ультрафиолетовая волна, а расположенная на противоположном конце спектра инфракрасная волна преломляется больше всего.
Дисперсия
Дисперсия по-латыни означает «разложение», «распадение».
В оптике дисперсией называют разложение белого света на отдельные волны при прохождении через некий прозрачный предмет, обладающий свойством светового преломления .
При этом показатель преломления так же, как и в случае с дифракцией, зависит от длины той или иной волны . Впервые научное исследование явления дисперсии было проведено Ньютоном в XVII веке.
Именно этот великий учёный смог наглядно доказать, что обычный дневной свет не является чем-то простейшим и неделимым объектом, а состоит из отдельных цветных лучей .
В своём опыте Ньютон использовал треугольную стеклянную призму, через которую пропускался свет . Опыты с призмой ставились и ранее, но до этого среди физиков бытовало убеждение, что это стеклянная призма окрашивает белый цвет в оттенки радуги.
Кстати, радуга – природный пример дисперсии солнечного излучения, проходящего сквозь мельчайшие прозрачные капельки воды.
Происходит это явление оттого, что волны с различной длиной имеют и разную скорость распространения в оптической среде – прозрачном пространстве, заполненном некой более или менее плотной субстанцией (жидкостью, газом, либо твёрдым веществом).
Волны с меньшей длиной при прохождении через оптическую среду преломляются больше, поэтому скорость их распространения меньше. Самой большой длиной обладают волны красного спектра .
Соответственно, коэффициент их преломления минимален, а скорость – наоборот, максимальна. Противоположностью является ультрафиолетовая волна, имеющая наименьшую скорость и больший показатель преломления.
Скорость же световых составляющих в абсолютном вакууме одинакова , и, следовательно, дисперсионное разделение света там произойти не может. В отдельных оптических средах наблюдается так называемый аномальный дисперсионный процесс.
Так, в парах йода более короткие лучи синего цвета преломляются меньше, нежели более длинные красные. Остальные же лучи светового спектра вовсе поглощаются газообразной субстанцией, и для наблюдения недоступны.
Различия спектров
Несмотря на то, что в основе и дифракционного, и дисперсионного спектров лежит принцип волнового строения света, они имеют целый ряд различий.
В первом случае белый свет распадается на составляющие в результате прохождения его через мелкие отверстия в непрозрачном общем фоне, либо между множеством близко находящихся непрозрачных частичек.
В случае с дисперсионным спектром разложение происходит вследствие преломления световых лучей при прохождении их через некую прозрачную среду: стекло, газ, жидкость и так далее.
С точки зрения оптики, между дифракционным и дисперсионным спектрами имеются различия :
- В степени отклонения крайних лучей – ультрафиолетового и инфракрасного.
- В размерах растяжения длины спектра.
Для наглядности все различия между дисперсионным и дифракционным спектрами можно отобразить в виде сводной таблицы :
| Дифракционный | Дисперсионный |
| Луч распадается из-за прохождения через мелкое отверстие в непрозрачной среде, либо через множество отверстий между непрозрачными предметами. | Разложение светового потока происходит как результат преломления при прохождении сквозь прозрачную оптическую среду. |
| Наибольшему отклонению подвержены длинноволновые красные лучи. | Более всего отклоняются лучи фиолетового цвета. |
| Растяжение спектра неравномерное. | Спектральное растяжение относительно равномерно. |
| Растяжение происходит в сторону длинноволнового «края». | Растяжение происходит в сторону фиолетовых лучей. |
