Страница 113 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

743. Установите соответствие между научными открытиями и именами учёных, которым эти открытия принадлежат.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ОТКРЫТИЯ А) экспериментальное открытие магнитного действия электрического тока Б) экспериментальное открытие явления электромагнитной индукции В) экспериментальное открытие электромагнитных волн

ИМЕНА УЧЁНЫХ

1) А. С. Попов 2) Х. К. Эрстед 3) Г. Герц 4) Дж. Максвелл 5) М. Фарадей

А

Б

В

А) экспериментальное открытие магнитного действия электрического тока

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед провёл знаменитый опыт, в котором продемонстрировал, что проводник с электрическим током вызывает отклонение магнитной стрелки компаса. Это стало первым экспериментальным доказательством связи между электрическими и магнитными явлениями. Следовательно, это открытие принадлежит Х. К. Эрстеду.

Ответ: 2

Б) экспериментальное открытие явления электромагнитной индукции

Английский физик Майкл Фарадей в 1831 году экспериментально открыл явление электромагнитной индукции. Он обнаружил, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электрический ток. Это фундаментальное открытие легло в основу создания электрогенераторов и трансформаторов.

Ответ: 5

В) экспериментальное открытие электромагнитных волн

Немецкий физик Генрих Герц в 1887-1888 годах провёл серию экспериментов, в ходе которых он впервые смог генерировать и регистрировать электромагнитные волны, существование которых было ранее теоретически предсказано Джеймсом Максвеллом. Опыты Герца подтвердили правильность теории Максвелла и заложили основы радиотехники.

Ответ: 3

744. Почему толстое плоское зеркало с плавно утоньшающимися краями имеет красочную окантовку при освещении его солнечными лучами?

Решение

Появление красочной окантовки на краях толстого зеркала при освещении солнечным светом объясняется явлением дисперсии света.

Солнечный свет является белым, то есть представляет собой смесь световых волн разной длины, которым соответствуют разные цвета видимого спектра. Толстое зеркало — это стеклянная пластина с отражающим покрытием на задней стороне.

Центральная часть зеркала представляет собой плоскопараллельную пластину. Когда лучи света проходят через нее, они преломляются дважды: на входе в стекло и на выходе из него. Хотя при первом преломлении свет разлагается в спектр (происходит дисперсия), при втором преломлении на параллельной границе все цветные лучи выходят параллельно друг другу и исходному направлению. Для глаза они снова сливаются в белый свет, поэтому в центре зеркала цветовых эффектов не наблюдается.

Края зеркала, которые плавно утончаются, имеют клиновидную форму, то есть действуют как призма с очень малым преломляющим углом. Когда белый свет падает на такой край, он проходит через эту призму. Показатель преломления стекла $n$ зависит от длины волны света $\lambda$. Это явление и называется дисперсией. В видимой части спектра показатель преломления для фиолетовых лучей больше, чем для красных ($n_{фиолетовый} > n_{красный}$).

Из-за этой зависимости лучи разных цветов, пройдя через клиновидный край стекла, отразившись от задней поверхности и снова пройдя через стекло на выходе, отклоняются на разные углы. Фиолетовый свет отклоняется сильнее, а красный — слабее. В результате этого белый свет разлагается в спектр, что и воспринимается глазом как красочная, радужная окантовка.

Ответ:

Красочная окантовка возникает из-за явления дисперсии света. Плавно утончающиеся края толстого зеркала действуют как оптическая призма, которая разлагает падающий на них белый солнечный свет в спектр, поскольку показатель преломления стекла зависит от длины волны (цвета) света.

745. Как объяснить радужные полосы, наблюдаемые в тонком слое керосина на поверхности воды?

Радужные полосы, наблюдаемые в тонком слое керосина на поверхности воды, являются результатом физического явления, называемого интерференцией света в тонких пленках. Белый свет, например, солнечный, падая на тонкую пленку, отражается от двух ее поверхностей: верхней (граница воздух-керосин) и нижней (граница керосин-вода).

Эти два отраженных световых луча накладываются друг на друга, то есть интерферируют. Результат интерференции — усиление или ослабление света — зависит от разности хода между лучами. Разность хода в свою очередь зависит от толщины пленки $d$ и показателя преломления керосина $n$.

Важную роль играет изменение фазы волны при отражении. При отражении света от границы со средой, оптически более плотной, происходит так называемая "потеря полуволны", то есть фаза волны изменяется на $\pi$. Такое отражение происходит на верхней границе пленки (воздух-керосин), так как показатель преломления керосина ( $n_к \approx 1.44$ ) больше показателя преломления воздуха ( $n_в \approx 1.0$ ). На нижней границе (керосин-вода) отражение происходит от оптически менее плотной среды, поскольку показатель преломления воды ( $n_{воды} \approx 1.33$ ) меньше, чем у керосина, поэтому изменения фазы на этой границе не происходит.

Таким образом, для того чтобы два отраженных луча усилили друг друга (конструктивная интерференция), оптическая разность хода, равная при почти перпендикулярном падении $2nd$, должна скомпенсировать потерю полуволны. Условие максимума интенсивности (яркой полосы) для света с длиной волны $\lambda$ выглядит так:

$2nd = (m + \frac{1}{2})\lambda$, где $m = 0, 1, 2, ...$

Соответственно, условие минимума интенсивности (темной полосы) имеет вид:

$2nd = m\lambda$, где $m = 0, 1, 2, ...$

Белый свет представляет собой смесь электромагнитных волн разной длины, которым соответствуют разные цвета спектра. Толщина пленки керосина на воде обычно неравномерна. В каждой точке пленки с определенной толщиной $d$ условие усиления будет выполняться для волн определенной длины (определенного цвета). Именно этот цвет мы и видим в данной точке. В соседних местах с другой толщиной пленки будут усиливаться волны другой длины, и мы увидим другой цвет. Это и создает наблюдаемую картину радужных полос.

Ответ: Радужные полосы на тонкой пленке керосина возникают из-за интерференции световых волн, отраженных от ее верхней и нижней поверхностей. Поскольку толщина пленки непостоянна, в разных ее точках происходит усиление световых волн разной длины (разного цвета), что приводит к разложению белого света в спектр и появлению цветных узоров.

746. Чем объясняется расцветка крыльев стрекоз, жуков и прочих насекомых? Почему изменяется окраска крыльев насекомого, если его рассматривать под разными углами?

Чем объясняется расцветка крыльев стрекоз, жуков и прочих насекомых? Расцветка крыльев многих насекомых, таких как стрекозы и жуки, объясняется не наличием красящих веществ (пигментов), а физическими оптическими явлениями, в основном интерференцией и дифракцией света. Это явление носит название структурной окраски. Поверхность крыльев имеет микроскопическую структуру в виде тончайших прозрачных пленок или упорядоченных чешуек. Когда белый свет падает на такую структуру, он отражается от ее различных слоев (например, от верхней и нижней поверхности тонкой пленки). Отраженные световые волны накладываются друг на друга (интерферируют). В результате этого взаимодействия световые волны определенных длин (цветов) усиливаются, а другие — ослабляются. В итоге мы видим яркий, переливающийся цвет, соответствующий усиленным длинам волн. Ответ: Расцветка крыльев насекомых объясняется оптическими явлениями интерференции и дифракции света на микроскопических структурах их поверхности (структурная окраска), а не пигментами.

Почему изменяется окраска крыльев насекомого, если его рассматривать под разными углами? Изменение окраски крыльев при смене угла зрения — характерное свойство структурной окраски, называемое иризацией. Оно напрямую связано с условиями возникновения интерференционных максимумов (усиления света). Условие, при котором наблюдается усиление света определённого цвета, зависит от оптической разности хода между интерферирующими лучами. Эта разность хода, в свою очередь, зависит от угла, под которым мы смотрим на крыло. Для тонкой плёнки условие максимума имеет вид $2nd \cos\theta \approx m\lambda$, где $d$ — толщина плёнки, $n$ — показатель преломления, $\lambda$ — длина волны, а $\theta$ — угол, зависящий от угла наблюдения. При изменении угла наблюдения меняется значение $\cos\theta$, и, следовательно, изменяется длина волны $\lambda$, для которой выполняется условие усиления. Таким образом, под разными углами мы видим разные цвета. Аналогично, если структура крыла действует как дифракционная решетка, то угол, под которым виден определенный цвет, определяется формулой $d \sin\theta = m\lambda$. Ответ: Окраска изменяется с углом зрения, так как условия интерференции и дифракции света, создающие цвет, зависят от угла, под которым свет падает на крыло и отражается от него к наблюдателю. Для каждого угла зрения усиливаются световые волны своей, определённой длины (цвета).

747. Какое явление не позволяет разглядеть в микроскоп частицы размером 0,3 мкм?

Решение

Явление, которое не позволяет разглядеть в оптический микроскоп частицы размером 0,3 мкм, — это дифракция света.

Способность оптического прибора различать мелкие детали объекта называется его разрешающей способностью. Предел разрешения любого оптического микроскопа ограничен из-за волновой природы света. Когда свет проходит через объектив и взаимодействует с объектом, световые волны огибают препятствия, сопоставимые по размеру с длиной волны света. Это явление и есть дифракция.

В результате дифракции изображение даже точечного источника света не является точкой, а представляет собой размытое пятно (так называемый диск Эйри). Если размеры объекта или расстояние между его деталями становятся сравнимы с размером этого пятна, то изображение сливается и становится неразличимым.

Минимальное разрешаемое расстояние ($d$) в микроскопе определяется формулой Аббе:
$d = \frac{\lambda}{2 \cdot NA}$
где $\lambda$ — длина волны света, а $NA$ — числовая апертура объектива.

Длина волны видимого света находится в диапазоне от 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный). Размер частицы, указанный в задаче, составляет 0,3 мкм = 300 нм. Этот размер сопоставим с длиной волны видимого света и даже меньше длины волны для большинства цветов спектра (например, для зелёного света $\lambda \approx 550$ нм).

Теоретический предел разрешения для лучших оптических микроскопов составляет около 200 нм (0,2 мкм), что достигается при использовании коротковолнового света и иммерсионных объективов с высокой числовой апертурой. Размер частицы 300 нм (0,3 мкм) находится на самой границе разрешающей способности большинства высококачественных микроскопов. Из-за сильного влияния дифракции на объектах такого размера сформировать их чёткое, детальное изображение невозможно.

Ответ: Дифракция света.

748. Если две волны интерферируют друг с другом, то изменяет ли одна волна распространение другой?

Нет, при интерференции одна волна не изменяет распространение другой. Это фундаментальное свойство волн описывается принципом суперпозиции.

Согласно этому принципу, когда две или более волн встречаются в одной точке пространства, результирующее смещение среды в этой точке является векторной суммой смещений, которые каждая волна создала бы в отдельности. Волны проходят сквозь друг друга, не влияя на дальнейшее распространение каждой из них. В области, где волны накладываются, возникает интерференционная картина (усиление или ослабление колебаний), но после прохождения этой области каждая волна продолжает двигаться дальше, сохраняя свою первоначальную форму, направление и скорость, как будто никакой встречи не было.

Ответ: Нет, одна волна не изменяет распространение другой. Интерференция — это лишь сложение колебаний в области их наложения, после прохождения которой волны распространяются независимо.