Презентация к уроку по физике:Интерференция в тонких пленках.Мыльные пузыри

«Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное и самое изысканное явление природы». Марк Твен.Мыльные пузыри. Что такое мыльный пузырь?Мыльный пузырь — тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью.Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул поверхностно активного вещества, чаще всего мыла. Прямыми измерениями было установлено, что поверхностное натяжение воды понижается в два с половиной раза при добавлении мыла:от 7*10-2 до 3*10-2 Дж/м2 Теория разрушения мыльного пузыря.Вследствие большого поверхностного натяжения утончившееся место пленки потянет в свою сторону жидкость из других, более толстых частей. Этим будет вновь достигнута одинаковая толщина пленки на всем протяжении, и опасность разрыва пленки исчезнет. Почему мыльный пузырь имеет форму сферы?Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность σ = Fн/2L. Условие равновесия для мыльных пузырей.Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, чем у сферической капли, так как пленка имеет две поверхности: Δp = 4σ /R.Условие равновесия сил поверхностного натяжения и сил избыточного давления для мыльных пузырей: σ4πR = ΔpπR2 .Сечение сферической капли Силы натяжения мыльного пузыря формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объеме.С поверхностью жидкости связана свободная энергия Е =σ S ,где σ — коэффициент поверхностного натяжения, S — полная площадь поверхности жидкости.Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Теорема двойного пузыря:Два объединенных пузыря имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединенном объеме. «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и лёгкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».Т. Юнг Интерференция в тонких плёнках. Интерференцией световых волн -называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Когерентные волны – волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз. Условие максимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волнΔd = k λ , k =0,1,2,3,… — волны усилят друг друга,Δd – разность хода лучей Условие минимума: если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечётному числу полуволнΔd =(2k+1) λ/2 , k =0,1,2,3,… -волны погасят друг друга. Почему же одни мыльные пузыри имеют радужную окраску, а другие – нет?Сначала плёнка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки появляется радужная окраска. Толщина плёнки мыльного пузыря.Чтобы разрез стенки мыльного пузыря усматривался в виде тонкой линии необходимо увеличение в 40 000 раз, при таком же увеличении волос будет иметь толщину свыше 2 м.Вверху – игольное ушко, человеческий волос, бацилла и паутинная нить, увеличенные в 200 раз. Внизу – бациллы и толщина мыльной пленки, увеличенные в 40000 раз. 1 μ=0,0001 см. Свойства мыльных пузырей на морозе.Пузырь при медленном охлаждении переохлаждается и замерзает примерно при –7°C. Пленка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Она обнаруживает пластичность. Пластичность пленки оказывается следствием малости ее толщины. Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух отражений. Поскольку каждый проход света через плёнку создает сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки. По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). В конце концов стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря меньше 25 нанометров, и пузырь, скорее всего, скоро лопнет. Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы всё равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз.