Теория цвета ньютона кратко
Обновлено: 09.07.2024
В \(1666\) году Исаак Ньютон, занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, получаемое с помощью объектива телескопа, окрашено по краям. Чтобы проверить предположение о роли преломления света в появлении разноцветных световых полос, учёный использовал щель в ставне в качестве источника света. На пути полученного узкого пучка разместил стеклянную призму.
Гипотеза Ньютона была настолько необычной для его современников: что вызвала сильное волнение и вопросы среди учёных Ньютон доказал справедливость своей теории: разложил одной призмой белый свет на спектр и поставил вторую перевёрнутую призму, собрав спектр обратно в белый луч.
Преломлённый белый свет превратился в радугу из семи цветных полос, которую Ньютон назвал спектром. В спектре Ньютон выделил семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
Различным цветам соответствуют различные показатели преломления: лучи красного цвета отклоняются на меньший угол, наибольший угол отклонения у лучей фиолетового цвета.
Чем оптически плотнее среда, тем больше показатель преломления, тем меньше скорость света в веществе. Поэтому лучи фиолетовой части спектра преломляются сильнее (отклоняются на больший угол) по сравнению с лучами красного света, которые имеют большую длину волны (меньшую частоту).
Свет каждого цвета располагается в достаточно узком интервале частот. Например, частота красного света соответствует интервалу 405-480 ТГц. Обычно для характеристики монохроматического цвета используют только одну определённую частоту.
Данная зависимость используется в светофильтрах , которые в зависимости от вещества светофильтра поглощают свет конкретных длин волн (например, пленка со свойством сильно поглощать сине-зеленые лучи видимого спектра при освещении светом с такой же длиной волны будет казаться черной).
Из всех тем этой книги, теория цвета, является, пожалуй, наиболее сложной. Несмотря на то, что базовое понимание цветового спектра получить довольно легко, теория цвета в целом — бесконечно глубокий предмет, уходящий корнями как в искусство, так и в науку. Некоторые вопросы, касающиеся цветовой композиции могут оказаться неожиданно сложными, так как могут быть рассмотрены как со стороны искусства, так и со стороны науки. Я неоднократно встречал дизайнеров, которых ставили в тупик такие простые вопросы, как: является ли жёлтый цвет основным? Какие сочетания цветов считать гармоническими? Какой цвет является дополняющим для синего?
Ньютон также обнаружил, что если смешать первый цвет видимого спектра (красный) и последний (фиолетовый), можно получить экстраспектральный пурпурный цвет, который вы не увидите в радуге. Смешение первого и последнего цветов побудило его развернуть цветовой спектр в круг, что положило начало традиции использования фигур для демонстрации цветовых моделей. Ньютону нравилось, что круг давал возможность легко предсказать результат смешения цветов, просто выбирая пространство между ними. Размеры цветовых сегментов Ньютон сделал пропорциональными интенсивности каждого цвета в спектре, а количество основных цветов выбрал по аналогии с музыкальной октавой, имеющей семь интервалов.
Хотя цветовые круги Ньютона и Гёте противоречат друг другу, в некотором смысле они оба верны, так как отражают поведение цвета в разных средах. Ньютон описывает, как спектральные цвета образуют все видимые оттенки, включая белый, с позиции аддитивного смешения света: комбинируя разные оттенки света, мы в результате получим белый свет. Гёте описывает, как его три основных цвета образуют все видимые оттенки, включая черный, и это тоже верно, потому что пигменты смешиваются субтрактивно — по принципу вычитания: смешивая краски разных цветов мы в конце концов получим черную краску.
Мишель Эжен Шеврёль попытался решить эту проблему в своей полусферической модели в 1839 году. Вместо того чтобы смешивать оттенки, основываясь на количественном отношении используемых в смеси цветов, он выбирал те оттенки, которые визуально казались верными. Вдохновленный трудами Гёте, Шеврёль использовал остаточные изображения для проверки правильности своего выбора. Если человек будет долго смотреть на зеленый квадрат, а потом посмотрит на белую стену, то увидит пурпурный цвет. Это происходит из-за усталости зеленых рецепторов в сетчатке глаза, и Шеврёль использовал этот эффект, чтобы определить дополняющие цвета в своей модели.
Для решения многих проблем, однако, существуют объективные соображения, которые более важны, чем субъективные предпочтения. Таким образом, мясная лавка может быть оформлена в светло-зеленых и бирюзовых тонах с целью, чтобы куски мяса выглядели более свежими и более красными. Если дизайнер использует белые и желтые полосы в упаковке кофе, или узор в синий горошек для упаковки макарон, он будет неправ, потому что эти цвета и формы находятся в противоречии с содержимым. (Иоганнес Иттен)
Здесь личные предпочтения Иттена по отношению к цветовой палитре ведут к строгому обобщению в отношениях цвета и содержания. Кто сказал, что желтые полосы или синий горох не могут быть эффективно использованы для создания упаковки тех или иных пищевых продуктов?
Вывод […] состоит в том, что базовые цвета это лишь полезные фикции. Это либо воображаемые переменные, принятые в математических моделях цвета, либо несовершенные, но удобные допущения, принятые в специальных моделях смешивания света, цвета, красок или красителей. (Bruce MacEvoy)
Это понимание глубоко интегрировано в устройства, которые мы используем повседневно. Промышленным стандартом для настольных принтеров и других печатающих механизмов, использующих субтрактивное смешивание пигментов, является наличие трех цветов из цветовой модели CMY: голубого, пурпурного и желтого. Мы знаем, что этот конкретный набор позволяет смешать приемлемый диапазон цветов в чернилах. В принтерах также используются черные чернила, так как три базовых цвета не могут эффективно смешать черный. Черные чернила добавлены из соображения экономии. Тем не менее, профессиональные принтеры могут использовать картриджи с большим количеством цветов для большей точности воспроизведения. Epson, лидер в области цифровой печати, использует десять цветов чернил в технологии UltraChrome ® HDR.
Промышленный стандарт для компьютерных экранов и других устройств, воспроизводящих изображение с помощью света, основан на аддитивной модели RGB и использует три базовых цвета на пиксель: красный, зеленый и синий. Эти три цвета смешиваются в допустимый диапазон спектра, точное значение которого определяется характеристиками монитора и видеокарты. Любая цифровая программа для дизайна дает возможность определять оттенок, исходя их комбинации этих трех основных цветов. Приятный момент в отношении RGB и CMY моделей — хотя они основаны на разных основных цветах, дополняющие цвета у них одинаковые.
К счастью, в этой книге мы не связаны цифровыми инструментами. В следующих главах мы рассмотрим цветовые модели, цветовые пространства, а также множество техник, которые позволяют создавать цветовые схемы на компьютере. Чтобы не делать тех же ошибок, которые допустили наши предшественники, эти главы не будут нацелены на создание единой теории о том, какие цвета лучше подходят для определенных случаев. Вместо этого, мы просто разберемся, что такое цветовая палитра, и узнаем, как лучше использовать эффект от разных цветовых комбинаций. Мы надеемся, это поможет студентам создать прочную теоретическую основу для их практики.
Со времён Ньютона и позднее теоретики цвета разрабатывали концепции с цветовыми кругами, первый из которых 1704 года приписывают Ньютону (рисунок выше).
7-цветные и 12-цветные круги художника Клода Буте, 1708 год.
Цветовое колесо служило одной из многих форм представления зачастую контрастирующих теорий. Например, Жак-Фабьен Готье утверждал, что первичными цветами были чёрный и белый. Но колесо и основные идеи Ньютона о нём, почти не претерпев изменений, легли в основу правильной теории цветов. Колесо 1766 года британского энтомолога Мозеса Харриса демонстрирует 7-цветную схему Ньютона, упрощенную до 6 первичных и вторичных цветов с третичными градациями между ними. Другой энтомолог, Иоганн Игнац Шиффермюллер, изобразил 12-цветное колесо (ниже).
Иллюстрация 1746 года к теории Жака-Фабиена Готье о том, что основные цвета – чёрный и белый, а красный, жёлтый и синий – вторичные.
Довольно кратким оказался переход от такого психологизма цвета к тому, что используют рекламодатели и коммерческие дизайнеры в 20-м веке или от теорий цвета художников и учёных к абстрактному экспрессионизму, школе Баухаус, химикам и фотографам, которые воссоздали цвета мира на плёнке.
- Участник: Ворошнин Данил Александрович
- Руководитель: Базыльникова Марина Александровна
Введение
Мы живем в мире разнообразных световых явлений – радуга, полярные сияния, голубое небо. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.
В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – насколько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении Солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.
Задачи:
I. Теоритическая часть
1.1. Открытие Исаака Ньютона
Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона
1.2. Спектральный состав света
Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).
Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр
Рисунок 3. Спектр
Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.
Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.
1.3. Дисперсия света
Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.
Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.
Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.
Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света (рис. 4).
Рисунок 4. Преломление светового луча
Закон преломления света: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
При изменении угла падения α меняется и угол преломления β , но при любом угле падения отношения синусов этих углов остается постоянным для данных двух сред.
Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то
где n – абсолютный показатель преломления второй среды.
Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.
Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.
Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что
Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.
Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.
Абсолютный показатель преломления стекла n, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).
Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму
1.4. Радуга
Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).
Рисунок 6. Природное явление радуга
Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.
Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).
Рисунок 7. Преломления света в капле дождя
Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный.
Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.
Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).
Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя
Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).
Рисунок 9. Радуга с борта самолета
II. Практическая часть
2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света
Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.
Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках
Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.
Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.
Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму
Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).
Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.
Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду
Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.
Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.
1.2. Цветовой диск Ньютона
Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).
Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет
На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).
Рисунок 11. Цветной диск Ньютона
Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).
Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра
Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.
В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).
Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона
Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:
- Скорость вращения круга очень низкая по сравнению со скоростью света;
- Круг окрашен с резкими цветовыми переходами, если сравнивать со спектром разложения белого света.
Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.
Заключение
Окружающий нас мир играет красками: нас радует и волнует голубизна неба, зелень травы и деревьев, красное зарево заката, семицветная дуга радуги. В своем проекте мы попытались ответить на вопрос - как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. В целом поставленная цель об изучении такого явления как дисперсия света в итоге достигнута. Для того чтобы глубже понять такое свойство света как дисперсия, была изучена дополнительная литература по световым явлениям, были проведены эксперименты по наблюдению явления, была изготовлена установка для вращения цветового круга Ньютона с некоторой скоростью.
В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:
- Дисперсия – явление разложения белого света в спектр.
- Белый цвет имеет сложную структуру, состоящий из нескольких цветов.
- При падении света на границу раздела двух прозрачных сред световые лучи различной цветности преломляются по разному (наиболее сильно-фиолетовые лучи, менее других- красные).
- Призма не изменяет цвет, а лишь разлагает его на составные части.
Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.
Читайте также: