Номер 2, страница 178 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Устройство жидкокристаллических термометров.

2. Устройство жидкокристаллических термометров.

Жидкокристаллический термометр (ЖК-термометр) — это устройство для измерения температуры, принцип работы которого основан на способности специальных веществ, называемых термохромными жидкими кристаллами, изменять свой цвет в зависимости от температуры.

Принцип действия:

В основе работы ЖК-термометра лежат холестерические (или хиральные нематические) жидкие кристаллы. Молекулы этих органических веществ имеют вытянутую форму и организованы в слои. Ориентация молекул в каждом последующем слое слегка повернута относительно предыдущего, что создает упорядоченную спиральную (геликоидальную) структуру. Ключевой параметр этой структуры — шаг спирали ($\text{p}$), то есть расстояние, на котором ориентация молекул совершает полный оборот на 360°. Этот шаг очень чувствителен к температуре.

Когда на термометр падает окружающий белый свет, жидкокристаллическая структура избирательно отражает свет только определенной длины волны (цвета), в то время как остальные волны проходят сквозь нее. Это явление называется селективным (брэгговским) отражением. Длина волны отраженного света $ \lambda $ связана с шагом спирали $\text{p}$ и средним показателем преломления $\text{n}$ жидкого кристалла соотношением: $ \lambda \approx n \cdot p $.

При повышении температуры молекулы жидкого кристалла скручиваются сильнее, шаг спирали $\text{p}$ уменьшается, и, как следствие, отражается свет с более короткой длиной волны. Визуально это воспринимается как изменение цвета по спектру от красного к синему (красный → желтый → зеленый → синий). При понижении температуры происходит обратный процесс: шаг спирали увеличивается, и отражается свет с большей длиной волны, что приводит к смене цвета от синего к красному.

Конструкция термометра:

ЖК-термометр представляет собой тонкую многослойную пленку, которая обычно состоит из следующих слоев:

1. Подложка — гибкая основа, чаще всего из пластика или плотной бумаги. На обратной стороне может быть клеевой слой для фиксации термометра на поверхности (например, на стенке аквариума, на лбу человека).

2. Черный поглощающий слой — наносится на подложку и служит фоном. Он поглощает весь свет, который проходит через слой жидких кристаллов, не отразившись. Это делает отраженный цвет максимально контрастным и легко читаемым.

3. Слой жидких кристаллов — тончайший слой термохромных жидких кристаллов. Для стабильности и защиты от внешних воздействий кристаллы часто заключают в микроскопические полимерные капсулы (технология микроинкапсуляции). Для отображения диапазона температур на термометре используются разные составы кристаллов, каждый из которых "активируется" (меняет цвет) в своем узком температурном интервале. Эти составы наносятся в виде отдельных сегментов.

4. Температурная шкала — цифры, обозначающие температуру в градусах Цельсия или Фаренгейта, напечатанные рядом с соответствующими сегментами жидких кристаллов. Шкала может быть нанесена как на подложку, так и на верхний защитный слой.

5. Прозрачный защитный слой — верхний слой из прозрачного пластика, который защищает хрупкую структуру жидких кристаллов от механических повреждений, влаги и ультрафиолетового излучения.

Температуру определяют по цвету сегмента, который в данный момент подсвечен. Обычно зеленый цвет соответствует точному значению, указанному на шкале. Если активны два соседних сегмента (например, один сине-зеленый, а другой желто-зеленый), это означает, что температура имеет промежуточное значение.

Ответ: Устройство жидкокристаллического термометра представляет собой многослойную структуру, включающую подложку, черный поглощающий фон, слой термохромных жидких кристаллов (часто микроинкапсулированных), температурную шкалу и прозрачное защитное покрытие. Принцип действия основан на свойстве жидких кристаллов изменять шаг своей спиральной молекулярной структуры под действием температуры, что вызывает изменение цвета отражаемого света. При нагревании цвет меняется в последовательности от красного к синему, что позволяет визуально определить температуру по шкале, нанесенной на термометр.