РАДУГА В МЫЛЬНОЙ ПЛЕНКЕ

Каждый, кто хоть раз в детстве выдувал мыльные пузыри, наверняка запомнил то ощущение праздника, которое создавала фантастическая игра цветов на их поверхности. Удивительно — пленка из бесцветной жидкости, раствора мыла в воде, освещенная белым светом, расцвечивается всеми цветами радуги. Посмотрим, почему это происходит.

Распространение света — процесс волновой. Каждой длине волны соответствует ощущение определенного цвета. Белый свет — это смесь самых разных цветов, от фиолетового до тёмно-красного. И если из луча белого света каким-то образом «вырезать» только одну волну, а остальные «погасить», свет из белого превратится в окрашенный.

Мыльный пузырь — это тонкая пленочка воды между двумя слоями молекул моющего вещества. Свет, падая на поверхность пленки, частично отражается от первого слоя, частично проходит внутрь, преломляется и отражается от второй поверхности. Волны, отраженные от двух поверхностей пленки, складываются. И если максимумы двух волн совпадают (волны идут в фазе), амплитуда суммарной волны увеличивается. Если же максимум одной волны приходится на минимум другой (волны в противофазе), амплитуда уменьшится вплоть до полного исчезновения суммарной волны. Две световые волны в сумме дадут темноту. Такой механизм сложения волн называется интерференцией.

Вот откуда взялись цвета, которые окрасили бесцветную пленку, — они возникли в результате интерференции световых волн, отразившихся от границ мыльной пленки. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны, и если волны пришли в фазе, амплитуда суммарной волны вырастет в два раза, а яркость цветного пятна — в четыре. Соответственно столь же сильно будет падать интенсивность волн, идущих в противофазе. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 0,4 микрона (фиолетовый свет) до 0,75 микрона (красный свет). И если одна область пузыря окрашена, скажем, в синий цвет (0,45 мкм), а другая — в зеленый (0,50 мкм), можно с уверенностью сказать, что толщина его стенки изменилась на 0,05 мкм = 5.10 -8 м = 0,00005 мм (или на кратную величину).

Если внимательно приглядеться к игре красок на поверхности мыльного пузыря, можно заметить, что рано или поздно вблизи его верхней части появится черное пятно. Толщина пленки в этом месте стала равна половине длины волны фиолетовой составляющей видимого света (самой высокочастотной). Пузырь лопнет именно в этом, наиболее тонком и слабом месте.

Такую же игру красок можно видеть и на поверхности воды, покрытой тонкой пленкой масла или бензина.

Источник

Что принято называть дисперсией света

Это явление было открыто в 1672 году Исааком Ньютоном. До этого люди не могли объяснить, почему цвета располагаются в определенном порядке при преломлении. Дисперсия света в свое время помогла доказать его волновую природу, но чтобы разобраться в вопросе получше, надо понимать все аспекты.

Определение

Явление дисперсии света (или разложения) обусловлено тем, что показатель преломления напрямую зависит от длины волны. Впервые дисперсию открыл Ньютон, но большая часть теоретической базы была разработана учеными в более поздний период.

Благодаря дисперсии удалось доказать, что белый свет состоит из множества составляющих. Если объяснять просто, то бесцветный солнечный луч при прохождении через прозрачные вещества (хрусталь, вода, стекло и т.д.) раскладывается на цвета радуги, из которых он состоит.

В результате попадания света из одного вещества в другое он меняет направление движения, что и получило название преломления. Белый цвет содержит в себе весь ряд цветов, но это незаметно до тех пор, пока он не подвергается дисперсии. У каждого из составных цветов разная длина волны, поэтому и угол преломления отличается.

Кстати! Длина волны у каждого из цветов спектра постоянна, поэтому при прохождении через прозрачное вещество оттенки всегда выстраиваются в одинаковом порядке.

История открытия и выводы Ньютона

История рассказывает о том, что ученый впервые обратил внимание на то, что края изображения в объективе цветные в период, когда занимался усовершенствованием конструкции телескопов. Это его сильно заинтересовала и он задался целью выявить природу появления цветных полос.

В тот период в Великобритании была эпидемия чумы, поэтому Ньютон решил уехать в свою деревню Вулсторп, чтобы ограничить круг общения. И заодно проводить эксперименты, чтобы выяснить, откуда появляются разные оттенки. Для этого он захватил несколько стеклянных призм.

За период исследований он провел множество экспериментов, некоторые из которых проводятся в неизменном виде до сих пор. Основной выглядел так: ученый сделал небольшое отверстие в ставне темной комнаты и поместил на пути луча света призму из стекла. В результате на противоположной стене получилось отражение в виде цветных полосок.

Ньютон выделил из отражения красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. То есть, спектр в его классическом понятии. Но если разобраться подробнее и выделить спектр современным оборудованием, то получается три основных зоны: красная, желто-зеленая и сине-фиолетовая. Остальные занимают незначительные участки между ними.

Где встречается

Дисперсию можно увидеть намного чаще, чем кажется на первый взгляд. Нужно просто обращать внимание:

1. Радуга – самый известный пример дисперсии. Свет преломляется в капельках воды, в результате возникает радуга, которую специалисты называют первичной. Но иногда свет преломляется дважды и появляется редкое природное явление – двойная радуга. В этом случае внутри дуга более яркая и со стандартным порядком цветов, а снаружи – размытая и оттенки идут в обратном порядке.
2. Закаты солнца, которые могут быть красными, оранжевыми или даже многоцветными. В этом случае объектом, преломляющим лучи, является атмосфера Земли. Ввиду того, что воздух состоит из определенной смеси газов, эффект отличается и может быть разным.
3. Если внимательно посмотреть на дно аквариума или большого водоема с чистой прозрачной водой, то можно явно различить радужные блики. Это происходит из-за того, что солнечный диапазон вследствие диффузии раскладывается на весь цветовой спектр.
4. Драгоценные камни с ювелирной огранкой тоже переливаются. Если аккуратно вращать их, можно заметить, как каждая грань дает свой оттенок. Это явление заметно на бриллиантах, хрустале, фианитах и даже на изделиях из стекла с хорошим качеством огранки.
5. Стеклянные призмы и любые другие прозрачные элементы при прохождении через них света также дают эффект. Особенно, если есть перепад освещения.

Чтобы показать детям явление дисперсии, можно использовать обычные мыльные пузыри. Мыльный раствор надо налить в емкость, а потом опустить любую рамку из проволоки подходящего размера. После извлечения можно наблюдать радужные переливы.

Разложение света в спектр несложно сделать и с помощью фонарика смартфона. В этом случае понадобится стеклянная призма и лист белой бумаги. Призму нужно поставить на стол в темном помещении, с одной стороны направить на нее луч света, а с другой поставить листок бумаги, на нем будут цветные полосы. Такой простой опыт очень нравится детям.

Как глаз различает цвета

Человеческое зрение – очень сложная система, способная различать часть электромагнитного спектра. Глаз человека различает волны длиной от 390 до 700 нм. Электромагнитное излучение в видимом диапазоне и называется видимым светом или просто светом.

Цвета различаются благодаря клеткам-палочкам и клеткам-колбочкам в сетчатке глаз. Первый тип имеет высокую чувствительность, но способен различать только интенсивность света. Второй хорошо различает цвета, но лучше всего действует при ярком освещении.

При этом клетки-колбочки делятся на три вида, в зависимости от того, к каким волнам они более чувствительны – коротким, средним или длинным. Благодаря сочетанию сигналов, поступающих от всех типов колбочек зрение и может различать доступный ему диапазон цвета.

Каждый тип клеток в глазу может воспринимать не отдельный цвет, а разные оттенки в большом диапазоне волн. Поэтому зрение и позволяет выделять мельчайшие детали и видеть все многообразие окружающего мира.

Дисперсия света в свое время показала, что белый цвет это сочетание спектра. Но увидеть это можно только после его отражения через определенные поверхности и материалы.

Источник

IT News

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги?

Калейдоскоп цветов, которыми переливаются мыльные пузыри, вызывается сложной структурой света и тем, как он отражается от поверхности пузырей. Белый свет состоит из множества цветов, каждый из которых характеризуется собственной длиной волны (на рисунке справа показаны в виде волн с чередующимися гребнями и впадинами).

Когда свет падает на поверхность, мыльного пузыря, часть световых волн сразу же отражается. Часть остальных проходит через стенку пузыря, преломляется в ней и затем отражается от внутренней поверхности. Когда эти волны встречаются с волнами, отраженными от внешней поверхности, их гребни и впадины не всегда выстраиваются одинаково. Если гребни и впадины совпадают, волны усиливают друг друга. Если гребни и впадины не совпадают, волны ослабляют друг друга в явлении, называющемся интерференцией волн. В результате на мыльной пленке появляется радуга, поскольку переменная толщина пленки приводит к образованию интерференционных узоров и отражению света в виде лучей различного цвета с собственной длиной волны.

Спектр белого света

Когда белый свет проходит через призму (рисунок над текстом), происходит его разложение на семь основных цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Волны с меньшей длиной преломляются под большими углами, чем более длинные. Фиолетовые лучи, имеющие самую меньшую длину волны, отклоняются сильнее всего, в то время как красные, имеющие наибольшую длину волны, отклоняются слабее других.

Интерференция на нефтяной пленке

На нефтяной пленке появляются цветные узоры.

На тонкой нефтяной пленке цвета образуются в результате интерференции света в зависимости от толщины пленки и угла, под которым свет на нее падает (рисунок внизу). Черный цвет появляется там, где световые волны полностью гасят друг друга.

Интерференция в мыльном пузыре

Хотя верхняя часть мыльного пузыря имеет практически постоянную толщину, кривизна его поверхности вызывает интерференцию в каждой точке. Совпадающие гребни волн усиливают друг друга (левый рисунок); волны в противофазе (правый рисунок) друг друга гасят.

Источник

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

Тестирование

Урок 53. (дополнительный материал) Лабораторная работа № 13 «Наблюдение интерференции и дифракции света»

Лабораторная работа № 13

Тема: «Наблюдение интерференции и дифракции света»

Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.

Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс), две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., компакт-диск, штангенциркуль, капроновая ткань.

Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.

Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны.

Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.

Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.

, ( Δd=d₂-d₁ )

(разность хода волн равна четному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.

Δφ=0 — разность фаз

А=2Х_max – амплитуда результирующей волны.

, ( Δd=d₂-d₁ )

(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.

Δφ=π — разность фаз

А=0 – амплитуда результирующей волны.

Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.

Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.

Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Условие проявления дифракции: d , где d – размер препятствия, λ — длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.

Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.

Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки.

Условие наблюдения дифракционного максимума:

d·sinφ=k·λ, где k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d — период решетки, φ — угол, под которым наблюдается максимуи, а λ — длина волны.

Из условия максимума следует sinφ=(k·λ)/d .

Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.

В явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии . В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.

Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки

Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки.

Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.

Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.

Ответьте на вопросы:

1. Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
2. Какую форму имеют радужные полосы?
3. Почему окраска пузыря все время меняется?

Опыт 3. Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.

При отражении света от поверхностей пластин, образующих зазор, возникают яркие радужные полосы – кольцеобразные или неправильной формы. При изменении силы, сжимающей пластинки, изменяются расположение и форма полос. Зарисуйте увиденные вами картинки.

Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl

Ответьте на вопросы:

1. Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?
2. Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?

Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).

Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.

Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

Опыт 5. Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.

Приставляем скошенную часть губок вплотную к глазу (располагая щель вертикально). Сквозь эту щель смотрим на вертикально расположенную нить горящей лампы. Наблюдаем по обе стороны от нити параллельные ей радужные полоски. Изменяем ширину щели в пределах 0,05 – 0,8 мм. При переходе к более узким щелям полосы раздвигаются , становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой. Зарисуйте в тетрадь увиденную картину. Объясните наблюдаемые явления .

Опыт 6. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.

Объяснение: В центре краста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета. Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.

Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест. Объясните наблюдаемые явления.

Запишите вывод. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких дифракции .

1. Что такое свет?
2. Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?
3. Что называют интерференцией света? Каковы условия максимума и минимума при интерференции?
4. Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?
5. Что называют дифракцией света?
6. Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?

Источник