Творческое задание, страница 114 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщение с ppt-презентацией по темам (на выбор):

1. Все о радуге (причина возникновения радуги, почему она дугообразная, в каком случае образуются две радуги).

2. Что такое интерферометр и где его применяют.

1. Все о радуге (причина возникновения радуги, почему она дугообразная, в каком случае образуются две радуги)

Радуга — это красивое оптическое явление, которое возникает в результате преломления, отражения и дисперсии света в каплях воды (дождя или тумана), парящих в атмосфере. Для наблюдения радуги необходимо, чтобы наблюдатель находился между источником света (обычно Солнцем) и дождем, при этом Солнце должно быть позади наблюдателя.

Причина возникновения радуги:

Основная причина — дисперсия белого солнечного света. Белый свет на самом деле является смесью всех цветов видимого спектра. Когда солнечный луч попадает в сферическую каплю воды, он преломляется на ее поверхности. Затем он отражается от внутренней задней стенки капли и снова преломляется при выходе из нее. Поскольку показатель преломления воды зависит от длины волны света (цвета), разные цвета преломляются под немного разными углами. Фиолетовый свет (самая короткая длина волны) отклоняется сильнее, а красный (самая длинная длина волны) — слабее. В результате этого белый свет разлагается на составляющие его цвета, образуя спектр.

Почему она дугообразная:

Форма дуги объясняется геометрией зрения. Каждый цвет выходит из капли воды под строго определенным углом относительно направления входящего солнечного луча. Для красного цвета этот угол составляет примерно $42^\circ$, а для фиолетового — около $40^\circ$. Наблюдатель видит свет, отраженный от множества капель. Все капли, которые направляют свет определенного цвета в глаз наблюдателя, находятся на окружности, образующей конус с вершиной в глазу наблюдателя. Ось этого конуса проходит через глаз наблюдателя и параллельна солнечным лучам (она направлена на так называемую антисолнечную точку). Таким образом, мы видим не отдельные капли, а целую дугу, состоящую из света от миллиардов капель, расположенных под нужным углом. Если бы земля не мешала, мы бы увидели полный круг. Полную круговую радугу можно иногда наблюдать с большой высоты, например, с самолета или высокой горы.

В каком случае образуются две радуги:

Двойная радуга возникает, когда свет в каплях воды испытывает не одно, а два внутренних отражения перед выходом наружу. Вторая, внешняя радуга всегда более тусклая, чем первая (основная), потому что при каждом отражении часть световой энергии теряется. Из-за второго отражения свет выходит из капли под другим углом — примерно $50^\circ-53^\circ$. Это приводит к тому, что вторая радуга находится выше (дальше от центра) первой. Кроме того, дополнительное отражение "переворачивает" порядок цветов: у второй радуги красный цвет находится на внутренней стороне дуги, а фиолетовый — на внешней. Область неба между двумя радугами часто кажется заметно темнее. Это явление известно как полоса Александра.

Ответ: Радуга возникает из-за дисперсии света в каплях воды, которые преломляют и отражают солнечные лучи, раскладывая их в спектр. Дугообразную форму она имеет потому, что мы видим свет только от тех капель, которые находятся под определенным углом ($40-42^\circ$) к линии "наблюдатель-антисолнечная точка", образуя конус зрения. Две радуги появляются, когда свет испытывает в каплях двойное внутреннее отражение, что создает вторую, более тусклую дугу с обратным порядком цветов под углом $50-53^\circ$.

2. Что такое интерферометр и где его применяют

Интерферометр — это измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции волн (чаще всего световых). Интерференция — это сложение двух или более волн, при котором в разных точках пространства происходит их усиление или ослабление в зависимости от разности фаз.

В типичном интерферометре (например, в интерферометре Майкельсона) пучок света с помощью полупрозрачного зеркала (светоделителя) разделяется на два когерентных пучка. Эти пучки направляются по разным путям (называемым плечами интерферометра), отражаются от зеркал и затем снова сводятся вместе. При их наложении возникает интерференционная картина — система чередующихся светлых и темных полос. Вид этой картины (форма и расположение полос) чрезвычайно чувствителен к малейшим изменениям разности длин оптических путей, которые прошли два пучка. Разность оптических путей $\Delta$ определяет, будет ли наблюдаться усиление (конструктивная интерференция, $\Delta = m\lambda$) или ослабление (деструктивная интерференция, $\Delta = (m + 1/2)\lambda$), где $\lambda$ — длина волны, а $\text{m}$ — целое число. Анализируя интерференционную картину, можно с высочайшей точностью измерять длины, смещения, показатели преломления и другие физические величины.

Где его применяют:

Интерферометры находят широкое применение в науке и технике благодаря своей исключительной точности:

1. Метрология и точные измерения: Для измерения длин с точностью до долей длины волны света. С помощью интерферометров калибруют концевые меры длины, измеряют тепловое расширение материалов и малые перемещения.

2. Астрономия: Радио- и оптические интерферометры позволяют объединять сигналы от нескольких телескопов, разнесенных на большие расстояния. Это создает виртуальный телескоп с огромным разрешением, позволяющий детально изучать далекие звезды, галактики и черные дыры (например, проект "Телескоп горизонта событий").

3. Детектирование гравитационных волн: Гигантские лазерные интерферометры, такие как LIGO и Virgo, смогли зафиксировать ничтожно малые искажения пространства-времени, вызванные прохождением гравитационных волн от слияния черных дыр и нейтронных звезд.

4. Оптика и контроль качества: Для проверки качества оптических поверхностей (линз, зеркал). Интерференционная картина показывает отклонения формы поверхности от идеальной с нанометровой точностью.

5. Спектроскопия: В Фурье-спектрометрах интерферометр используется для получения спектра излучения. Этот метод обладает высокой светосилой и разрешением.

6. Датчики (сенсоры): Волоконно-оптические интерферометры применяются в качестве высокочувствительных датчиков температуры, давления, вибрации и деформации.

Ответ: Интерферометр — это прибор, использующий явление интерференции волн для сверхточных измерений. Он разделяет пучок света на два, которые проходят разные пути, а затем сводит их вместе, анализируя полученную интерференционную картину. Применяется в астрономии (для увеличения разрешения телескопов), для детектирования гравитационных волн (LIGO), в метрологии (для измерения длин и смещений), в оптике (для контроля качества поверхностей) и для создания высокочувствительных датчиков.