V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Проверка обоснованности выбора Ньютоном синего цвета в одном из его опытов по дисперсии света
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Творчество Исаака Ньютона по праву относится к вершинам научной мысли. Классический опыт Ньютона по дисперсии света описан в многочисленных учебниках и другой научно-популярной литературе [2, 4,7]. Мне же стало интересно познакомиться с первоисточником, узнать, как сам Ньютон излагал свои опыты по дисперсии. Частичная информация оказалась доступна благодаря книге «Классики физической науки» [4], в которой включены отрывки работ классиков физики. Отрывки из «Оптики» [8] воспроизводятся по переводу С.И.Вавилова, выполненного в 1954 году с третьего (прижизненного) издания.
В первом опыте Ньютон рассматривает сквозь призму красно-синюю полоску бумаги и наблюдает на черном экране ее изображение:
«установив предметы таким образом, я нашел, что в том случае, когда преломляющий угол призмы повернут кверху, так что бумага кажется вследствие преломления приподнятой, синяя сторона подымается преломлением выше, чем красная….таким образом, свет, приходящий от синей половины бумаги через призму к глазу, испытывает при одинаковых обстоятельствах большее преломление, чем свет, исходящий от красной половины, и, следовательно, преломляется больше» [4].
В третьем опыте (второй опыт в книге [4] не представлен) доказывается, что солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости.
«Я поместил в очень темной комнате у круглого отверстия около трети дюйма шириной в ставне окна стеклянную призму, благодаря чему пучок солнечного света, входящего в это отверстие, мог преломляться вверх к противоположной стене комнаты и образовывал там цветное изображение солнца» [4].
Вот как описывает Ньютон окраску этого изображения:
«изображение спектра было окрашено красным в наименее преломленном конце, фиолетовым – в наиболее преломленном конце и желтым, зеленым и синим – в промежуточном пространстве» [4].
Таким образом, Ньютон знал, что больше остальных преломляются «фиолетовые лучи».
У меня возник вопрос: почему в опыте с цветной полоской Ньютон использует красно-синюю окраску полоски, а не красно-фиолетовую? Чем вызван выбор синего цвета? Поэтому целью настоящей работы является попытка разобраться и предложить решение этой проблемы.
Считаю своё исследование актуальным, поскольку многим моим сверстникам полезно взглянуть на базовые факты непосредственно, а не через толстый слой повторяемой и размножаемой информации. Это хорошая профилактика любому зомбированию.
Глава I
Гипотезы
Размышляя над проблемой выбора Ньютоном синего цвета в опыте по дисперсии света, я решил проверить несколько гипотез:
Синий цвет на черном фоне более заметен, чем фиолетовый, поэтому для наглядности опыта синий цвет предпочтительнее.
Англичане не видят разницы между синим цветом и голубым, у них есть цвет blue. Может быть, они не различают синий цвет и фиолетовый?
Какие-то побочные эффекты не позволили наблюдать отчетливую дисперсию фиолетовой части спектра.
Гипотеза 1. Синий цвет на черном фоне более заметен, чем фиолетовый, поэтому для наглядности опыта синий цвет предпочтительнее.
Для проверки этой гипотезы я воспользовался двумя интерактивными программами, работающими с цветом: ColourContrastCheckи ColorScheme.
Программа ColourContrastCheck (snook.ca) позволяет определять степень контрастности цветного текста на черном фоне (рис. 1). Установив интерактивную линейку Red в крайнее правое положение, а линейки Green и Blue в крайнее левое, я для цветового кода FF0000 по шкале RGB получил результаты яркости и контрастности 76,245 и 5,252 соответственно (Приложение 1). Аналогично был получен синий цвет (100% Blue без примеси Red и Green) и фиолетовый (100% Blue, 60% Red и 0% Green).
Рис. 1. Программа Colour Contrast Check
Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1.
|
Цвет по RGB |
Контрастность относительно черного фона |
Различие яркости относительно черного фона (max 125) |
|
Красный FF0000 |
5,252 |
76,245 |
|
Синий 0000FF |
2,444 |
29,070 |
|
Фиолетовый 8D00FF |
3,576 |
71,229 |
Из таблицы видно, что я получил результаты, обратные предполагаемым: не только контрастность, но и яркость относительно черного фона оказалась у фиолетового цвета выше, чем у синего.
Программа ColorScheme (colorscheme.ru). Я решил проверить эти результаты, применив другой принцип подбора цветов. Программа ColorScheme (рис. 2) позволяет подбирать нужный цвет по цветовому кругу, определять его код в системе координат RGB, определять контрастные цвета и генерировать цветовые схемы. Я определил по цветовому кругу коды красного, синего и фиолетового цветов (Приложение 2), а затем снова воспользовался программой Colour ContrastCheck. Новые результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2.
|
Цвет по RGB |
Контрастность относительно черного фона |
Различие яркости относительно черного фона (max 125) |
|
Красный FF0000 |
5,252 |
76,245 |
|
Синий 1F1AB2 |
1,848 |
44,824 |
|
Фиолетовый 7109AA |
2,321 |
58,450 |
Как видно из таблицы 2, подтверждается результат, полученный ранее. Сравним, во сколько раз отличаются контрастности синего и фиолетового цветов по данным двух таблиц.
Получились достаточно близкие результаты с учетом произвольного подбора (на глаз) оттенка фиолетового цвета при работе с первой таблицей. Поэтому достоверность результатов достаточна, чтобы сделать вывод о несостоятельности первой гипотезы.
Гипотеза 2. Синий и голубой цвета в английском языке обозначаются одним словом Blue. Возможно, что это повлияло на смещение наименования цвета в сторону фиолетового края спектра.
У меня возник сопутствующий вопрос: если в английском языке синий и голубой – это один цвет Blue, то мистическое число спектральных цветов (а так же нот, планет и дней недели) – число «7» – без голубого цвета не получится. Какой же тогда цвет был назван Ньютоном в спектре взамен голубого? Может быть, это был какой-нибудь сине-фиолетовый?
При более детальном изучении этого вопроса (Wikipedia), оказалось, что цвета цветового круга систематизировались, интерпретировались и назывались по-разному со времен Ньютона и до настоящего времени. Я остановлюсь в рамках этой работы только на сравнении наименований цветов исторического круга Ньютона и цветов спектра из учебника физики. В своей книге «Оптика» Ньютон представил спектр в виде круга со следующими цветами: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый (рис. 3). Если сравнить с современным русским наименованием спектральных цветов в учебнике физики, то синий цвет Ньютона будет соответствовать голубому, цвет индиго – синему (рис. 4).
Рис. 3. Наименование цветов спектрального круга Ньютона из его «Оптики»
Рис. 4. Цветной вариант круга Ньютона, с наименованиями цветов.
Из рис. 3 и 4 видно, что каковы бы ни были разночтения в наименованиях синий-голубой, фиолетовый цвет присутствует у Ньютона как самостоятельный спектральный цвет. Таким образом, гипотеза о том, что языковые особенности могли как-то объяснить выбор Ньютоном синего цвета вместо фиолетового, не нашла подтверждения.
Гипотеза 3. Какие-то побочные эффекты не позволили наблюдать отчетливую дисперсию фиолетовой части спектра.
Гёте, практикуя индуктивный метод исследования природных явлений, очень критически относился к дедуктивному методу Ньютона. Сама схема научного метода: наблюдение – гипотеза – проверка опытом – создание теории, которая сегодня лежит в основе любой науки, для Гёте была неприемлема. Он отстаивал гуманитарный подход, в котором выводы основываются на ощущениях человека. Обвиняя Ньютона в том, что в своем первом опыте из «Оптики» он специально подбирает такой эксперимент, который подтверждает его утверждение, Гёте называет явление дисперсии «мнимым эффектом», а сам опыт «фокусом». Разоблачая Ньютона, Гёте обращает внимание на то, до какой степени хитроумно и даже коварно поставлен этот опыт [3].
Ньютон тщательно подбирает цвета своих прямоугольников, так чтобы возникающие призматические окаймления практически полностью сливались с окрашенными поверхностями, создавая эффект реального смещения. Чтобы явление могло хотя бы отчасти обмануть наблюдателя, красный четырехугольник должен быть окрашен киноварью, а синий должен иметь насыщенный темный оттенок, потому что будь синий прямоугольник голубым или фиолетовым, или возьми Ньютон вместо красного прямоугольника розовый или желтый, обман тотчас открылся бы [6].
Гёте обращает внимание на то, что на ньютоновском рисунке, иллюстрирующем первый опыт «Оптики», смещенные четырехугольники изображены вместе с обрамляющими их каемками, откуда следует, что Ньютон прекрасно эти каемки видел, однако в описании опыта не упомянул о них ни слова (рис. 5).
Рис. 5. Иллюстрация из «Оптики» Ньютона к первому опыту по дисперсии. Рядом с окном MN – три красно-синие полоски: в центре – сама полоска, выше и ниже нее – изображения полоски при различных положениях преломляющего угла призмы. Вверху – изображение полоски с каемками более крупно.
Люди с гуманитарным складом ума, к которым относился Гёте, не способны отличить главное от второстепенного: для них важно все. Ньютон же использовал такой необходимый в точных науках инструмент как моделирование. Действительно, в Поучении после изложения методики первого опыта Ньютон пишет следующее: «…В описании этих опытов я изложил такие обстоятельства, которые или делают явление более заметным, или более легким для опытов новичка…». То есть он выявлял и выделял черты, характерные для изучаемого явления. Про каемки на изображении, о которых Гёте почему-то не прочел в описании опыта, Ньютон дает косвенное пояснение:
…из этих опытов не следует, что весь свет от синей половины преломляется больше, чем свет красной половины; оба они составлены из лучей различной преломляемости, так что в красной половине есть лучи менее преломляемые, чем лучи синей половины, а в синей половине есть лучи не более преломляемые, чем некоторые лучи красной половины, но таких лучей в отношении ко всему свету очень мало; они уменьшают успех опыта, однако не в состоянии его совершенно расстроить[4].
Таким образом, Ньютон, возможно, использовал синий цвет для визуальной чистоты опыта: чтобы любой, кто бы попытался повторить наблюдение, увидел бы эффект дисперсии, как можно меньше «замутненный» примесными лучами.
Глава II
Исследование дисперсии
Для более ясного понимания выбора Ньютона, я повторил некоторые его опыты по дисперсии света, правда, несколько видоизмененные, используя стеклянную призму из лабораторной работы и монитор компьютера.
Наблюдение дисперсии.Я рассматривал сквозь 60-градусный угол стеклянной призмы белую горизонтальную полоску на черном фоне. Для изображения фона и полоски я использовал программу Microsift Power Point Presentation, поскольку она в режиме просмотра позволяет использовать весь экран целиком. Призма разворачивалась так, чтобы ее двугранный 60-градусный угол оказался сверху. Смотреть на белую полоску надо сквозь этот угол, короткой гранью к себе, направляя взгляд не на саму полоску, а как бы вверх. Наверху эта полоска и видна, но уже не белая, а радужная (рис. 6).
Рис. 6. Вид черного экрана с белой полоской при рассматривании «невооруженным глазом» (вверху) и при рассматривании сквозь угол стеклянной призмы (внизу). Снимок экрана дан в Приложении 3.
Дисперсия волн «синих» частот больше дисперсии волн «красных» частот.
Рис. 7. Видно мнимое изображение белой плоски на черном экране. Каждый цвет дает изображение, немного смещенное относительно соседних изображений. В результате изображение полоски будет не белым, а радужным.
Почему снизу полоска станет красной, а сверху – синей, поясняет рисунок 7[2]. Высокочастотные синие волны в результате дисперсии отклонились сильнее, значит их показатель преломления больше.
Вывод: с возрастанием частоты света показатель преломления вещества увеличивается.
Сравнение дисперсии красной и синей частей спектра.Белую полоску я заменил на составленную из красной и синей половин. Рассматривая красно-синюю полоску сквозь 60-градусный угол призмы, я увидел, что синяя половина стала шире и сдвинулась вверх, расположившись выше красной части (рис. 8).
Рис. 8. Вид черного экрана с красно-синей полоской при рассматривании «невооруженным глазом» (слева) и при рассматривании сквозь угол стеклянной призмы (справа). Снимок экрана дан в Приложении 4.
Дисперсия волн «синих» частот больше дисперсии волн «красных» частот.
Расширение полосок говорит о дисперсии. Дисперсия «красных» частот небольшая – лишь верхняя часть красной полоски немного окрасилась оранжевым цветом. Дисперсия «синих» частот намного больше: синяя полоска стала вдвое шире и окрасилась сверху сине-фиолетовым, а снизу – голубовато-зеленым цветом.
Вывод: изменение показателя преломления в синей части спектра больше, чем в красной.
Сравнение дисперсии различных частей спектра. Красно-синюю полоску я заменил на составленную из красной, оранжевой, желтой, зеленой, голубой, синей и фиолетовой частей. Рассматривая ее сквозь 60-градусный угол призмы, я обратил внимание на взаимное расположение соседних частей изображения (рис. 9).
Рис. 8. Вид черного экрана с составной полоской из семи спектральных цветов при рассматривании «невооруженным глазом» (сверху) и снимок экрана при рассматривании сквозь угол стеклянной призмы (снизу).
Дисперсия волн «синих» частот больше дисперсии волн «красных» частот.
Следующий за красным оранжевый «кусок» имеет «примесь» красных и желтых лучей, что проявляется в их различном преломлении: желтые преломленные лучи собираются сверху в виде тонкой желтой каемки, а красные – в виде более широкой красной каемки. Аналогично можно проанализировать все остальные части. Особое внимание я обратил на сине-фиолетовые области. Синие лучи присутствуют в голубой, синей и фиолетовой частях. Об этом говорит единая для всех трех частей синяя каемка наверху. Красные лучи присутствуют в большей степени в фиолетовой части полоски. Об этом говорит темно-красная каемка внизу. Таким образом, общий сдвиг вверх фиолетовой части полоски над красной практически сводится к сдвигу вверх синей части полоски над красной.
Вывод: для демонстрации и измерения дисперсии в данном опыте достаточно составить полоску не из семи, а только из двух частей: красной и синей.
Заключение
Результаты
Выбор Ньютоном синего цвета для половины полоски в его первом опыте по дисперсии не определялся соображением контрастности: контрастность фиолетового цвета на черном фоне больше, чем синего.
Языковыми особенностями английского языка (разночтения в наименовании синего и голубого цветов) также нельзя объяснить выбор синего цвета вместо фиолетового. Фиолетовый цвет присутствует у Ньютона как самостоятельный спектральный цвет.
Проведенный мной опыт Ньютона по дисперсии света, в котором красно-синяя полоска была заменена на полоску, составленную из семи спектральных цветов, показал, что для демонстрации и измерения дисперсии в данном опыте достаточно составить полоску не из семи, а только из двух частей: красной и синей.
Выводы
Планируя опытпо демонстрации различной степени преломления лучей разного цвета Ньютон, вероятно, учитывал следующие обстоятельства:
Цветные каемки на изображениях невозможно устранить, если использовать падающие на призму цветные лучи, отраженные от поверхностей, покрытых красочным слоем. По словам Ньютона «они составлены из лучей различной преломляемости, так что в красной половине есть лучи менее преломляемые, чем лучи синей половины, а в синей половине есть лучи не более преломляемые, чем некоторые лучи красной половины, но таких лучей в отношении ко всему свету очень мало» [4]. Если бы на призму падали монохроматические лучи, то цветных каемок на изображениях не было бы.
Фиолетовую краску получают смешиванием красной и синей. Окрашенная фиолетовой краской бумага испускает красные и синие лучи. Эту смесь красного и синего человеческий глаз воспринимает как фиолетовый цвет. Ньютон знал, что в опыте призма выявит сложный состав «красочного» фиолетового и вместо ожидаемой на экране фиолетовой части он увидит сине-красную. Поэтому он и взял для опыта краску, содержащую больший процент синих лучей, т.е. синюю. «Бумага была очень черной, краски были интенсивными и наносились толстым слоем для того, чтобы явление могло быть более отчетливым» [4].
Источники информации
academia.edu
Белова М. Оптика. Учебник для гимназии. – Таллин.: Колибри, 2009
Гёте И.В. Учение о цвете. Теория познания. – М.: Либроком, 2011
Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.): Справ. Пособие. – М.: Высшая школа, 1989
Железняков В. Цвет и контраст. Технология и творческий выбор. ВГИК, 2000
Месяц С.В. Гёте и Ньютон: спор о цвете // Интеллектуальные традиции в прошлом и настоящем. №2. М.: Аквилон, 2014.
Мякишев Г., Буховцев Б., Чаругин В. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. – М.: Просвещение, 2014
Newton I. Optics: or, a treatise of the reflections, refractions, inflections and colours of light. London, 1721 / rulit.me
Wikipedia /ru.m.wikipedia.org
Приложения
Приложение 1
Программа ColourContrastCheck: данные для таблиц 1 и 2
Приложение 2
Программа ColorScheme: данные для таблицы 2
Приложение 3
Наблюдение дисперсии: снимок экрана
Приложение 4
Сравнение дисперсии красной и синей частей спектра: снимок экрана