Демонстрації лекцій Гарвардських природничих наук

1 Oxford St Cambridge MA 02138 Science Center B-08A (617) 495-5824

введіть критерії пошуку у вікно пошуку

Що це показує:

Хвилі, що відбиваються від двох поверхонь, можуть впливати конструктивно і деструктивно. У цьому випадку це світлі хвилі, які відбиваються від передньої та задньої поверхонь тонких мильних або масляних плівок. Втручання створює візерунок красивих кольорів у білому світлі або темних та світлих смуг в монохроматичному світлі.

Як це працює:

Наші дві найбільш візуально драматичні ілюстрації тонкоплівкових перешкод використовують або мильну плівку, підвішену на повітрі з кругової рами діаметром 19 см, або дуже тонкий шар олії, що плаває поверх води.

Мильна плівка

Демонстрація мильної плівки є живою копією експерименту, описаного та зображеного в Комітеті з фізики з вивчення фізики. 1

Припустимо однотонне освітлення. Світло, що відбивається від передньої та задньої поверхонь плівки, зазнає конструктивних та руйнівних впливів, залежно від товщини мильної плівки. Відбиття від передньої поверхні є так званим "жорстким відбиттям" і призводить до зсуву фази на 180 °, оскільки світло рухається від середовища з низьким показником заломлення (повітря) до вищого заломлення середовища (мильної плівки). Переходячи від мила до повітря, відбиття від задньої поверхні є "м'яким відображенням" і не супроводжується фазовим зворотом. Тому у верхній частині мильної плівки, де товщина плівки набагато менше довжини хвилі світла (і, отже, різниця ходів між відбиттями передньої та задньої поверхні невелика порівняно з довжиною хвилі) не спостерігається відбиття ( плівка виглядає темною) внаслідок згасання двох хвиль.

Товщина мильної плівки збільшується до дна. Таким чином, відбиття спереду і ззаду мильної плівки поступово зазнають дедалі більших фазових зсувів. Наприклад, там, де товщина становить 1/4 довжини хвилі, шлях у мильній плівці на 1/2 довжини довжини більше, ніж відбиття передньої поверхні (при нормальному падінні), приводячи два відбиття у фазу і тим самим даючи максимальну інтенсивність відбитого світла. Оскільки ми продовжуємо збільшувати товщину, кожні 1/4 збільшення довжини хвилі товщини ми переходимо від області відсутності відбиття до області максимального відбиття до відсутності знову і т.

Ситуація дещо складніша під білим світлом, хоча і набагато красивішою. Максимуми відбиття виникають, коли товщина становить (1/4) λ, (3/4) λ, (5/4) λ. для даного кольору. Як пояснюється в (Кільця Ньютона), перший максимум відбитого світла по суті білий, а послідовні смуги демонструють все більше і більше кольору.

Масляна плівка

Для експерименту з масляною плівкою крапля скипидару видавлюється з піпетки на поверхню води. Крапля швидко поширюється на тонку плівку, на якій відображаються кольорові кільця, які потім швидко перетворюються на рухомі випадкові візерунки яскравих кольорів. Це прекрасна анімована версія кольорових масляних плям, які іноді можна побачити на вулиці. Ми виміряли показник заломлення скипидару 1,52; таким чином, як експеримент з мильною плівкою, світло зазнає жорсткого і м'якого відбиття від верхньої та нижньої поверхонь відповідно.

Налаштування:

Світловий коробок, тримач для рамки для мильної плівки та відеокамера займають демонстраційний кошик. Їх взаємне розташування слід ретельно узгодити перед лекцією, оскільки освітлення, оглядова точка та вибір лінзи мають вирішальне значення. Розмістіть і камеру, і світлову коробку приблизно на 45 ° відносно площини мильної плівки; фон за мильною плівкою повинен бути якомога темнішим. Виберіть відповідну відстань об'єктива та камери, щоб вся рамка мильної плівки заповнювала монітор. 2 Каструля з розчином мильних бульбашок також служить капельницею під тримачем мильної плівки.

Опубліковано багато рецептів розчинів мильних бульбашок, і всі зроблять свою справу. Однак більш густі розчини (як правило, ті, що містять багато гліцерину або навіть цукру) не матимуть рівномірного смугового малюнка і, як правило, відображатимуть більш динамічні структури конвекції та завитки. Це дуже красиво, але більш тонкі рішення дадуть тип інтерференції, описаний вище. Ми використовуємо рецепт від Exploratorium, який вимагає 2/3 склянки мила для миття посуду Dawn ™, 2-3 ложки гліцерину та один галон води (нехай стоїть на ніч). Скільки триває мильна плівка на рамі до її розбиття, дуже залежить від відносної вологості в приміщенні - мильні плівки довго не тримаються, коли відносна вологість нижче 50%. Чим вологіше, тим краще.

Коментарі:

Якщо ви хочете бути трохи кількісними в експерименті з олійною плівкою, ви можете оцінити товщину плівки. Це можна легко зробити, вимірявши об’єм краплі (використовуйте мікропіпетку замість піпетки) та діаметр кругової масляної плями.