Номер 7, страница 100 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

7. Почему мыльный пузырь на солнце играет всеми цветами радуги?

7.

Мыльный пузырь играет всеми цветами радуги на солнце из-за физического явления, называемого интерференцией света в тонких пленках. Солнечный свет, который кажется нам белым, на самом деле является смесью световых волн разной длины, каждая из которых соответствует определенному цвету радуги (от красного с самой большой длиной волны до фиолетового с самой маленькой).

Стенка мыльного пузыря — это очень тонкая пленка мыльной воды. Когда луч света падает на пузырь, происходит два отражения:

1. Часть света отражается от внешней поверхности пленки.
2. Другая часть света проходит внутрь пленки, отражается от ее внутренней поверхности и выходит обратно наружу.

В результате из одной точки пузыря выходят два отраженных луча. Второй луч проходит дополнительное расстояние, равное примерно удвоенной толщине пленки. Эта разница в пройденном пути называется оптической разностью хода.

Когда эти два отраженных луча попадают в наш глаз, они накладываются друг на друга (интерферируют). Результат интерференции зависит от соотношения между оптической разностью хода и длиной волны света.

• Если разность хода такова, что гребни одной волны совпадают с гребнями другой, волны усиливают друг друга. Это называется конструктивной интерференцией. В этом случае мы видим яркий цвет, соответствующий данной длине волны.
• Если же гребни одной волны совпадают с впадинами другой, волны гасят друг друга. Это — деструктивная интерференция, и соответствующий цвет мы не видим.

Условие усиления (конструктивной интерференции) для определенной длины волны $\lambda$ зависит от толщины пленки $d$ и показателя преломления мыльной воды $n$. При наблюдении света, отраженного почти перпендикулярно поверхности, условие максимума (яркого цвета) выглядит так: $2dn \approx (k + \frac{1}{2})\lambda$, где $k$ — целое число (0, 1, 2, ...). В этой формуле учитывается дополнительный сдвиг фазы на половину длины волны, который происходит при отражении света от внешней поверхности (от границы с оптически более плотной средой).

Толщина стенки мыльного пузыря неодинакова: под действием силы тяжести вода стекает вниз, поэтому вверху пузырь тоньше, чем внизу. Кроме того, толщина постоянно меняется из-за испарения и потоков воздуха. Поскольку толщина $d$ в разных частях пузыря разная, условие конструктивной интерференции выполняется для разных длин волн $\lambda$ (цветов) в разных местах. Там, где пленка имеет одну толщину, мы видим, например, синий цвет, а там, где она чуть толще — зеленый или красный. Это и создает на поверхности пузыря переливающиеся радужные полосы и узоры.

Ответ: Радужная окраска мыльного пузыря возникает из-за интерференции света. Солнечный свет отражается от внешней и внутренней поверхностей тонкой мыльной пленки. Эти два отраженных луча накладываются друг на друга, усиливая или ослабляя определенные цвета в зависимости от толщины пленки в данной точке. Поскольку толщина пленки пузыря непостоянна и меняется, в разных его частях усиливаются разные цвета, что и создает наблюдаемую нами переливающуюся радужную картину.