Номер 3, страница 225 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 6. Электромагнитная природа света. Параграф 54. Интерференция и волновые свойства света. Темы докладов - номер 3, страница 225.

Условие.

3. Радужные плёнки в природе и технике.

Решение.

Радужные плёнки — это тонкие слои вещества, которые приобретают радужную окраску из-за оптического явления, называемого интерференцией света в тонких плёнках. Этот эффект возникает, когда световые волны, отражённые от верхней и нижней поверхностей плёнки, накладываются друг на друга (интерферируют).

Когда свет падает на плёнку, часть его отражается от верхней границы, а часть преломляется, проходит сквозь плёнку и отражается от её нижней границы. Эти два отражённых луча проходят разное расстояние. Разность хода между ними зависит от толщины плёнки $\text{d}$, её показателя преломления $\text{n}$ и угла падения света. Если разность хода приводит к тому, что гребни одной волны совпадают с гребнями другой, происходит конструктивная интерференция, и мы видим усиление определённого цвета (длины волны $\lambda$). Условие для максимального усиления света при наблюдении в отраженном свете (для случая, когда происходит дополнительный сдвиг фазы на $\pi$ на одной из границ, например, плёнка масла на воде) можно записать как:

$2nd \cos\theta_t = (m + 1/2)\lambda$

Здесь $\theta_t$ — угол преломления, а $\text{m}$ — целое число ($0, 1, 2, ...$), называемое порядком интерференции. Поскольку белый свет состоит из всех цветов радуги (разных длин волн), для одной и той же толщины плёнки и угла наблюдения условие конструктивной интерференции будет выполняться для разных длин волн. В результате плёнка окрашивается в разные цвета, которые меняются при изменении угла обзора или толщины плёнки.

Радужные плёнки в природе

В природе этот эффект встречается повсеместно, создавая яркие и переливающиеся цвета:

• Мыльные пузыри: Стенка мыльного пузыря представляет собой тонкую плёнку воды. Её толщина постоянно меняется под действием силы тяжести и испарения, что приводит к появлению переливающихся цветных узоров.

• Масляные пятна на воде: Тонкий слой масла или бензина, растекшийся по поверхности воды, создаёт радужную плёнку. Толщина этого слоя неоднородна, поэтому мы видим разноцветные полосы и пятна.

• Крылья насекомых и перья птиц: У многих насекомых (бабочки Морфо, жуки) и птиц (павлины, колибри) радужная окраска вызвана не пигментами, а так называемой структурной окраской. Микроскопические структуры на поверхности их крыльев или перьев (слои, бороздки) действуют как многослойные тонкие плёнки или дифракционные решётки, вызывая интерференцию света.

• Перламутр: Внутренняя поверхность раковин некоторых моллюсков покрыта перламутром. Он состоит из микроскопических слоёв карбоната кальция, которые создают многослойную интерференционную структуру, придающую ему характерный радужный блеск.

Радужные плёнки в технике

Принцип интерференции в тонких плёнках нашёл широкое применение в различных технологиях:

• Просветление оптики (антибликовые покрытия): На линзы очков и объективов наносят тончайшую плёнку прозрачного материала с показателем преломления $\text{n}$, меньшим, чем у стекла. Толщину плёнки $\text{d}$ подбирают так, чтобы волны, отражённые от её внешней и внутренней поверхностей, находились в противофазе и гасили друг друга (деструктивная интерференция). Для этого оптическая разность хода $2nd$ должна быть равна половине длины волны $\lambda$. Оптимальная толщина для света, падающего перпендикулярно, составляет $d = \lambda / (4n)$. Это минимизирует отражение для определённой длины волны (обычно в середине видимого спектра) и увеличивает светопропускание оптики.

• Зеркала и светофильтры: Диэлектрические зеркала состоят из множества чередующихся тонких слоёв материалов с разными показателями преломления. Подбирая толщину и количество слоёв, можно создать зеркала, которые отражают свет только в очень узком диапазоне длин волн, а остальной свет пропускают. Такие светофильтры (дихроичные фильтры) используются в проекторах, лазерах и научных приборах.

• Декоративные и защитные покрытия: Эффект иризации (радужного переливания) используется для создания красок-хамелеонов для автомобилей, декоративных покрытий на стекле, пластике и украшениях. Тонкие плёнки оксидов металлов также используются для создания износостойких и солнцезащитных покрытий на стёклах зданий.

• Элементы защиты от подделки: Радужные плёнки и голограммы на банкнотах, кредитных картах, паспортах и акцизных марках являются одним из самых распространённых средств защиты. Их цвет и рисунок меняются в зависимости от угла зрения, что делает подделку чрезвычайно сложной.

Ответ:

Радужные плёнки — это тонкие слои вещества, цвет которых обусловлен интерференцией световых волн, отражённых от их верхней и нижней поверхностей. В природе это явление наблюдается в виде радужных разводов на мыльных пузырях и масляных пятнах на воде, а также создаёт структурную окраску крыльев насекомых, перьев птиц и перламутра. В технике принцип интерференции в тонких плёнках используется для создания антибликовых покрытий на линзах (просветление оптики), диэлектрических зеркал и светофильтров, декоративных покрытий (краски-хамелеоны) и защитных элементов от подделки (голограммы на банкнотах и документах).