Номер 5, страница 101 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

5. Чем объясняется расцветка крыльев стрекоз? Почему она изменяется, если рассматривать их под разными углами?

5. Чем объясняется расцветка крыльев стрекоз? Почему она изменяется, если рассматривать их под разными углами?

Решение

Радужная расцветка крыльев стрекоз объясняется не наличием красящих веществ (пигментов), а физическим явлением, которое называется структурной окраской. В её основе лежит интерференция света.

Крылья стрекозы представляют собой очень тонкую прозрачную пленку, состоящую из нескольких слоев хитина. Когда солнечный свет, который является смесью волн разной длины (разных цветов), падает на крыло, происходит следующее:
1. Часть световых волн отражается от внешней, верхней поверхности крыла.
2. Другая часть проходит внутрь пленки, отражается от её внутренней, нижней поверхности, и затем выходит обратно.

В результате образуются два отраженных световых луча. Поскольку второй луч прошел дополнительное расстояние внутри пленки, между лучами возникает разность хода. Эти два луча накладываются друг на друга (интерферируют). Если разность хода такова, что волны определенного цвета (например, синего) усиливают друг друга, происходит конструктивная интерференция, и мы видим этот синий цвет. Волны других цветов могут, наоборот, ослабить или погасить друг друга (деструктивная интерференция) и будут невидимы. Таким образом, крыло избирательно отражает определенные цвета, что мы и воспринимаем как его окраску.

Изменение цвета при рассмотрении под разными углами (это явление называется иризацией) является ключевой особенностью интерференционной окраски. Разность хода отраженных лучей зависит не только от толщины пленки ($\text{d}$), но и от угла, под которым свет падает на нее и наблюдается. Условие для усиления (максимума) света с определенной длиной волны ($\lambda$) в тонкой пленке описывается формулой:
$2nd \cos\theta_r = (m + \frac{1}{2})\lambda$
где $\text{n}$ — показатель преломления материала пленки, $\text{d}$ — её толщина, $\theta_r$ — угол преломления света внутри пленки (зависящий от угла наблюдения), а $\text{m}$ — целое число (0, 1, 2, ...).

Из этой формулы видно, что при изменении угла наблюдения, меняется и значение $\cos\theta_r$. Это приводит к тому, что условие максимума начинает выполняться для другой длины волны $\lambda$. Поэтому, когда мы меняем угол обзора, мы видим, как один цвет плавно сменяется другим.

Ответ: Расцветка крыльев стрекоз объясняется явлением интерференции света в тонких пленках, из которых состоят крылья. Она изменяется при рассмотрении под разными углами, потому что от угла обзора зависит разность хода интерферирующих световых лучей, что приводит к усилению разных длин волн (разных цветов).