電梯中特殊成像現(xiàn)象探究

(江蘇省徐州市第一中學(xué)，江蘇 徐州 221140)

物理學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，許多新興學(xué)科都是在物理學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，基于物理學(xué)而產(chǎn)生的新技術(shù)也已滲透到生活的各個角落，對物理學(xué)的學(xué)習(xí)和研究是必不可少的。要學(xué)好這門課程，在中學(xué)階段需要培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生對生活中物理現(xiàn)象的觀察、探究的良好習(xí)慣。電梯是工作和生活中常見的設(shè)備，有的電梯中存在著一種特殊的光學(xué)現(xiàn)象，圖1為筆者拍攝的某一電梯內(nèi)的成像圖，左側(cè)為樓層指示燈所在的平面，右側(cè)為與之相鄰的且成90°角的金屬平面。從圖1中可以看出，“18”的指示燈所成像的中間出現(xiàn)了左右顛倒的像，像的左右兩側(cè)還出現(xiàn)了亮度逐漸減弱的亮帶。

圖1

由平面鏡成像規(guī)律知，如果將金屬壁看作是平面鏡，樓層指示燈“18”只會出現(xiàn)一個虛像“81”，不會出現(xiàn)圖1中的亮帶。為了弄清楚其背后的物理原理，筆者開展了相應(yīng)的研究和探討。

1 電梯壁的顯微結(jié)構(gòu)分析

直觀上看電梯壁是平整光滑的，但是以上現(xiàn)象顯然不能用平面鏡成像規(guī)律來解釋，因此，需要弄清楚電梯壁的結(jié)構(gòu)。由于電梯壁不便拆除和切割，所以無法采用固定的高精度光學(xué)顯微鏡進行觀測。于是，筆者利用放大倍數(shù)為100的便攜式顯微鏡進行拍攝。圖2為所拍攝的電梯金屬壁顯微結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出金屬壁具有明顯的柵狀結(jié)構(gòu)，照片中暗條紋的區(qū)域為凹槽部分，每一個凹槽的寬度不盡相同，凹槽與凹槽之間的間隔即光柵常數(shù)也有窄有寬，說明該金屬壁為非均勻柵狀結(jié)構(gòu)，考慮到觀察到的是反射成像，所以此光柵可視為非均勻反射光柵。

圖2

2 均勻與非均勻反射光柵的成像

2.1 均勻反射光柵的光譜重疊現(xiàn)象

首先討論光源為具有一定大小的單色面光源、距離均勻反射光柵為有限遠的地方的成像現(xiàn)象。面光源可以看成由無數(shù)個點光源構(gòu)成，每一個點光源經(jīng)過光柵都會成像，如果光柵的分辨率較高，其各級條紋都可以被分辨開(如圖3a)。中央為0級條紋，依次向外為對稱分布的±1,±2,級條紋。0級條紋的寬度為其他級條紋寬度的兩倍，且其占有絕大部分光能量，僅有很少部分光能量分布于其他級條紋上。如果光柵的分辨率較低，可能會出現(xiàn)m+1級的光譜與m級的條紋重疊現(xiàn)象。如果光源為面光源，如圖3b所示，則在像平面上所成的像為每一個點光源所成的像的疊加，于是，各級條紋的寬度變大，當(dāng)面光源較大或光柵的分辨力較低時，會出現(xiàn)不同級次的條紋之間重疊現(xiàn)象，條紋會變得模糊。

圖3

2.2 非均勻反射光柵的光譜重疊現(xiàn)象

根據(jù)圖2顯示的顯微結(jié)構(gòu)圖可知，金屬壁是非均勻反射光柵，為此，需要討論光源為具有一定大小的單色面光源，位于非均勻反射光柵附近處，發(fā)生衍射光譜重疊現(xiàn)象。如圖4所示，入射光經(jīng)過該類光柵反射后，仍然會出現(xiàn)0級條紋,±1級條紋,。由于光柵是不均勻的，相對于均勻反射光柵的成像，出現(xiàn)的各級條紋不再關(guān)于中軸線對稱分布，且正級條紋和相同數(shù)值的負(fù)級

條紋的寬度也不盡相同，但是，能量仍然主要集中在0級條紋中。當(dāng)光柵某一位置的光柵常數(shù)越小，光柵的波長分辨極限就越大，衍射條紋之間的間距越大，反之，當(dāng)光柵常數(shù)越大，衍射條紋之間的間距越小。當(dāng)光柵常數(shù)大到一定程度后，各級衍射條紋之間發(fā)生重疊現(xiàn)象，于是連續(xù)的帶狀亮紋便會出現(xiàn)。

圖4

3 結(jié)語

本文展示了從電梯中的特殊成像現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到揭示其物理原理的探究過程。同學(xué)們應(yīng)該多留意日常生活中的物理現(xiàn)象，養(yǎng)成良好的觀察習(xí)慣，善于總結(jié)，提高自己發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。