на мыльном пузыре нередко можно наблюдать разноцветные радужные пятна и темные полосы
Чёрные пятна в мыльной радуге
Всякий раз, когда вспоминают о мыльных пузырях, неизменно заходит разговор об их цвете или, точнее, об их цветах, или, ещё точнее, — об их расцветке. Вот и С. Я. Маршак в своих стихах восторгается расцветкой пузыря:
Горит, как хвост павлиний,
Каких цветов в нём нет!
Лиловый, красный, синий,
Зелёный, жёлтый цвет.
И чуть дальше:
Огнями на просторе
Играет лёгкий шар.
То в нём синеет море,
То в нём горит пожар.
К восторгам Маршака, пожалуй, каждый из нас может добавить и собственные, разве что высказанные не стихами, а прозой.
В чём причина появления расцветки мыльных пузырей?
Вначале очень коротко об истории проблемы. Физика XVIII века передала XIX веку по наследству противоречивые представления о природе света. К Ньютону восходили представления о «корпускулярном» свете — потоке гипотетических частиц — корпускул. Ньютон считал, что, попадая на сетчатку глаза, частицы возбуждают ощущение света: маленькие корпускулы создают впечатление фиолетового цвета, а корпускулы побольше — красного. Эти представления, объясняя некоторые закономерности распространения света, оставляли без всякого объяснения множество явлений, среди которых оказалась и интерференция света.
К Гримальди, Гуку и Гюйгенсу восходили представления о волновой природе света. Итальянский физик Франческо Гримальди, младший современник Ньютона, сравнивал распространение света с распространением волн на воде.
Мы вспомнили о рубеже между XVIII и XIX веками именно потому, что в это время жил один из величайших физиков — Томас Юнг, который своими исследованиями обосновал волновые представления о свете, объяснив, в частности, всевозможные проявления интерференции. Да и сам термин «интерференция» ввёл в науку впервые именно Юнг.
Это был человек беспримерно многогранного дарования и необозримого круга творческих интересов. Но, пожалуй, наиболее значимые его достижения связаны с развитием представлений о волновой природе света и, в частности, о природе явления интерференции, о цветах тонких плёнок. Французский физик Доменик Араго написал о Томасе Юнге: «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и лёгкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки школьника, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».
Отдав дань стихам, восторгам и истории, обратимся к физике, поговорим об «оптике мыльного пузыря». Читателю известно, что распространение света — процесс волновой и что распространяющаяся монохроматическая волна имеет определённую длину волны λ0. Известно также, что световой луч отражается от поверхности раздела двух сред, а проходя сквозь эту границу, он преломляется. А ещё известно, что так называемый белый цвет — смесь разноцветных монохроматических лучей — от красного до фиолетового. Длина волны красного луча больше, чем фиолетового. И, наконец, известно, что при переходе из пустоты в вещество плёнки длина волны λ0 изменяется, становится равной λв. Величина n = λ0/λв называется показателем преломления.
Теперь направим под некоторым углом i на поверхность тонкой плёнки толщиной h монохроматический свет, длина волны которого λ0. Произойдёт вот что: луч света частично отразится от поверхности плёнки, а частично, преломившись под углом r, войдёт в её объём. На нижней поверхности плёнки произойдёт то же самое: преломление и отражение. Отражённый луч вернётся к верхней поверхности, отразится и преломится, и какая-то доля его выйдет из плёнки, где встретится с одним из лучей падающего первичного пучка. Произойдёт это в точке С. Точка эта в основном нас и интересует.
В точке С встречаются два луча, рождённые одним источником, но прошедшие разные пути. О таких лучах говорят «когерентные». Их отличительная особенность состоит в том, что разность фаз их колебаний остаётся неизменной. Характер взаимодействия этих лучей в точке С определяется разностью путей, пройденных ими до прихода в эту точку. Эта разность путей называется оптической разностью хода ∆. Из очень несложного расчёта и определения n = sin i/ sin r следует, что
Мы подошли к самому существенному достижению Томаса Юнга. Он обратил внимание на то, что при выполнении условия ∆ = kλ0/2 (k — целое число) могут иметь место два существенно различных эффекта: если k — чётное число, волны усилят друг друга, а если нечётное — ослабят, точнее говоря, погасят друг друга.
Поражает мощь основной идеи механизма интерференции по Юнгу, которая очень естественно объясняет удивительный экспериментальный факт: свет, слагаясь со светом, порождает тьму! Иному читателю может показаться, что в полученном результате что-то неблагополучно, так как появление тьмы означает исчезновение энергии, а уж этого заведомо не должно происходить. На самом деле не означает, так как энергия в процессе интерференции не исчезает, она перераспределяется, накапливаясь там, где два луча усиливают друг друга.
Основываясь на формуле, определяющей ∆, мы можем очень многое понять в том, что назвали «оптикой мыльного пузыря». В формуле при данном значении n воедино связаны длина волны света λ0, толщина плёнки h и угол r, а следовательно, и угол падения пучка на плёнку i. Предположим, что на поверхность пузыря, образованного плёнкой постоянной толщины, падает пучок белого света, и различные участки поверхности пузыря пучок встречает под различными углами. Это означает, что в условия, при которых отражённый луч усиливается, будут попадать лучи с различной длиной волны и различные участки пузыря будут отсвечивать различными цветами радуги: лиловый, красный, синий, зелёный, жёлтый цвет. Это может произойти и по другой причине: различные участки плёнки пузыря со временем меняют свою толщину (теперь уже меняется h), и именно поэтому «то в нём синеет море, то в нём горит пожар». Если приглядеться к мыльному пузырю, можно отчётливо увидеть потоки жидкости, меняющие его окраску.
Следуя за несметным количеством предшественников, и мы можем поставить опыт по интерференции в мыльных плёнках в условиях, близких к тем, в которых находятся разные участки плёнки мыльного пузыря. Дело в том, что в мыльном пузыре всегда есть участки, в которых под влиянием силы тяжести жидкость движется вниз и, следовательно, толщина плёнки меняется, а с ней меняется и её окраска.
Опыт такой. Плоская плёнка на каркасе располагается вертикально. Со временем она приобретает форму клина: вверху тоньше, внизу толще. Её окраска — полосчатая, разноцветная, меняющаяся со временем. Она как бы плывёт вместе с потоками жидкости.
Чтобы закончить рассказ об оптике мыльного пузыря, обязательно надо сказать о чёрных полосах и пятнах в окраске пузыря. Они особенно отчётливо видны, когда пузырю осталось жить всего несколько мгновений.
Подготовка к ЕГЭ по физике
Материалы для подготовки к ЕГЭ по физике
Раздел «Программное обеспечение компьютерных сетей»
Материал для изучения дисциплины «Программное обеспечение компьютерных сетей»
Раздел «Информатика»
Материалы для изучения дисциплины «Информатика»
Раздел «Физика»
Надеюсь, данный раздел поможет Вам эффективно и интересно изучать физику.
Учите физику!
Как сказал.
Есть только два способа прожить жизнь. Первый — будто чудес не существует. Второй — будто кругом одни чудеса.
А.Эйнштейн
Вопросы к экзамену
Для всех групп технического профиля
Список лекций по физике за 1,2 семестр
Законы и формулы
Я учу детей тому, как надо учиться
Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.
Новости и знаменательные даты
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”.
А=2Хmax – 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”.
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.
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:
Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.
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:
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:
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.
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.
Как сказал.
Человек, который никогда не ошибался, никогда не пробовал сделать что-нибудь новое.
Альберт Эйнштейн
Вопросы к экзамену
Для всех групп технического профиля
Список лекций по физике за 1,2 семестр
Я учу детей тому, как надо учиться
Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.
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”.
А=2Хmax – 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”.
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.
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:
Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.
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:
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:
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.
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.