В стакан с тонкими стенками налейте немного воды. Наклоните стакан и сквозь воду (смотрите внутрь стакана перпендикулярно дну) наблюдайте иголку, положенную на кусок чёрной бумаги. Почему видна при этом радужная полоса?
Вода, ограниченная плоским дном стакана и горизонтальной поверхностью, заполняет двугранный угол. Поэтому свет, проходя через воду, диспергирует.
Для объяснения радужной полосы, которая наблюдается при описанных условиях, необходимо обратиться к основным физическим принципам, связанным с поведением света, его преломлением, дисперсией и интерференцией.
Преломление света
Когда свет проходит из одной среды в другую, например, из воздуха в воду, он изменяет направление из−за разной скорости распространения света в этих средах. Этот процесс называется преломлением света. Закон преломления описывается формулой Снеллиуса:
$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 $$
где $ n_1 $ и $ n_2 $ — показатели преломления двух сред (в данном случае воздуха и воды), $ \theta_1 $ — угол падения света в первой среде, а $ \theta_2 $ — угол преломления во второй среде.
Дисперсия света
Свет, который мы воспринимаем как белый, состоит из множества цветов (спектра), каждый из которых имеет свою длину волны. Показатель преломления среды зависит от длины волны: свет с меньшей длиной волны (например, синий) преломляется сильнее, чем свет с большей длиной волны (например, красный). Это явление называется дисперсией света.
При прохождении через воду происходит разложение белого света на спектр цветов, что приводит к появлению радужной полосы, которую можно наблюдать.
Интерференция света
Интерференция — это явление наложения световых волн, приводящее к усилению или ослаблению света в определённых местах. На поверхности воды или на границе воды и воздуха могут возникать условия для интерференции, влияя на интенсивность света определённых цветов.
Роль тонких стенок стакана
Стакан с тонкими стенками минимизирует дополнительные оптические искажения. Поскольку стенки тонкие, они практически не влияют на траекторию света и не создают значительного эффекта преломления или отражения.
Отражение света от иглы
Иголка, лежащая на чёрной бумаге, отражает свет. Чёрная бумага минимизирует влияние окружающего света, чтобы эффект радужной полосы был хорошо виден. Отражённый свет, проходя через воду, преломляется и разлагается на спектр.
Форма воды в наклонённом стакане
Когда стакан наклонён, вода внутри создаёт нерегулярную кривизну поверхности. Эта поверхность функционирует как линза, преломляющая и разлагающая свет. Разная толщина воды в разных местах стакана приводит к изменению углов преломления, что усиливает эффект дисперсии.
Наблюдение радужной полосы
В процессе наблюдения свет, отражённый от иголки, проходит через воду, где он преломляется, разлагается на составляющие цвета (дисперсия) и создаёт радужную полосу. Радужная полоса — результат сложного взаимодействия света с водой, которое включает преломление, дисперсию и, возможно, интерференцию.
Таким образом, радужная полоса видна из−за разложения света на спектр при его прохождении через воду с разной толщиной в наклонённом стакане.
Пожауйста, оцените решение
