Номер 6, страница 136, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 10. Электромагнитная природа света. Параграф 93. Волновые свойства света. Интерференция и дифракция света. Вопросы и задания - номер 6, страница 136.

Условие.

6. Чем объяснить расцветку крыльев насекомых: жуков, мух, стрекоз? Почему меняется окраска крыльев насекомого, если рассматривать их под разными углами?

Решение.

Чем объяснить расцветку крыльев насекомых: жуков, мух, стрекоз?

Расцветка крыльев многих насекомых, таких как жуки, мухи и стрекозы, объясняется не наличием красящих пигментов, а физическими оптическими явлениями, связанными с волновой природой света. Такое явление называется структурной окраской. Основные физические процессы, лежащие в её основе, — это интерференция и дифракция света.

1. Интерференция света. Крылья мух и стрекоз представляют собой очень тонкие, многослойные и прозрачные пленки. Когда свет падает на такое крыло, он частично отражается от его верхней поверхности, а частично проходит сквозь нее и отражается от нижней поверхности. Эти два отраженных световых луча, проделав разный путь, накладываются друг на друга и интерферируют. В результате этой интерференции волны некоторых длин (определенных цветов) усиливают друг друга (конструктивная интерференция), а другие — гасят (деструктивная интерференция). В итоге мы видим яркую, радужную окраску, состоящую из усиленных цветов.

2. Дифракция света. У некоторых насекомых, например, у многих жуков, поверхность надкрыльев покрыта упорядоченной микроструктурой: рядами мельчайших бороздок, выступов или чешуек. Эта периодическая структура работает как дифракционная решетка. Падая на нее, белый свет разлагается в спектр (подобно тому, как это происходит в призме или на поверхности компакт-диска), создавая переливающуюся всеми цветами радуги окраску.

Таким образом, удивительная расцветка крыльев насекомых — это результат сложного взаимодействия света с их микро- и наноструктурой.

Ответ: Расцветка крыльев насекомых объясняется физическими явлениями интерференции света в тонких пленках, из которых состоят крылья, и дифракцией света на их микроскопической рельефной структуре.

Почему меняется окраска крыльев насекомого, если рассматривать их под разными углами?

Изменение окраски крыльев при смене угла зрения — характерная особенность структурной окраски, называемая иризацией. Это напрямую связано с зависимостью явлений интерференции и дифракции от угла.

В случае интерференции, результат сложения световых волн (усиление или ослабление) зависит от разности хода лучей, отраженных от верхней и нижней поверхностей крыла. Эта разность хода, в свою очередь, зависит от угла, под которым мы смотрим на крыло. При изменении угла зрения меняется и разность хода. Вследствие этого условие усиления выполняется уже для другой длины волны (другого цвета). Поэтому, меняя угол обзора, мы видим, как один цвет сменяется другим. Условие интерференционного максимума для отраженного света: $2dn\cos\beta = (m + 1/2)\lambda$, где $\text{d}$ — толщина пленки, $\text{n}$ — ее показатель преломления, $\beta$ — угол преломления, а $\lambda$ — длина волны. Изменение угла наблюдения приводит к изменению $\beta$, а значит, и к изменению $\lambda$, для которой наблюдается максимум.

В случае дифракции, угол, под которым наблюдается тот или иной цвет спектра, также строго определен. Условие максимума для дифракционной решетки: $d\sin\varphi = m\lambda$, где $\text{d}$ — период решетки, а $\varphi$ — угол, под которым виден максимум порядка $\text{m}$ для света с длиной волны $\lambda$. Очевидно, что каждому углу $\varphi$ соответствует своя длина волны $\lambda$. Поэтому, рассматривая крыло под разными углами, мы видим разные цвета разложившегося в спектр белого света.

Ответ: Окраска крыльев меняется при взгляде под разными углами, потому что результат интерференции и дифракции света (то есть то, какой именно цвет будет усилен) напрямую зависит от угла падения света и угла наблюдения. При изменении угла меняются условия для усиления определенной длины волны, что и приводит к смене воспринимаемого цвета.