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肥皂泡中的物理知识

来源:不详       更新时间:2013-1-14 12:01:00
 
 干涉和反射

  肥皂泡的虹彩颜色是光波的干涉所造成。当光撞击在膜上,其一部分被外表面反射,而另外一些穿过薄膜并在内外两个表面间来回反射后重新穿出。最后观测到的反射由所有这些反射的干涉所决定。因为每段在薄膜中的行程导致一些相位偏移,它和薄膜的厚度成正比而和波长成反比,干涉的结果依赖于这两个量。这样,在一个给定的厚度,干涉对于某些波长是增强的而对另外一些是减弱的,所以白光射在膜上会带者随着厚度改变的色调被反射回来。

  随着肥皂泡由于蒸发而变薄可以看到色彩的改变。厚一些的壁消去红(长一些)的波长,这样会导致蓝—绿反射。后来,更薄的壁会消去黄(剩下蓝光),然后绿(剩下洋红),然后蓝(剩下黄)。最后,当肥皂泡的壁变得比可见光的波长更薄很多时,所有可见频段被消去就看不到反射。当这个状态被观测到时,壁薄大约25纳米,可能就快爆了。

  干涉现象也依赖于光线射到膜上的角度,这个现象称为虹彩。所以,即使肥皂泡的壁的厚度均匀,我们依然可以看到由于曲率和/或运动带来的色彩的变化。但是,壁的厚度会由于重力将液体往下拉而持续改变,所以色彩的带子会向下移动就如平常所见那样。

  上图中光线照在表面的X点。一些光线被反射,但有些穿过气泡壁并在另外一面反射。

  这个图中,我们看到两束红光(射线1和射线2)。两束光都象之前那样分裂并沿着两个可能的路径,但我们只对实线表示的路径感兴趣。考虑在Y汇集的束。它由两条重叠的光线组成:穿过气泡壁的光线1的一部分和光线2从外壁反射的一部分。光线1比比光线2多走了XOY。因为XOY刚好对应红光的波长,两个射线相位相同(波峰和波谷分别重合)。

  这个上面的示意图相仿只是波长不同。这次XOY不是波长的整数倍,因此光线1和2达到y点的时候不同步。光线1的波谷和光线2的波峰重合互相抵消。最后的效果是对于气泡的这个厚度没有什么蓝光被反射。

  这个计算出来的图像显示一个水的薄膜在非极化的白光照射下反射的色彩。半径和膜的厚度相同,而极角和入射角相等。

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