電梯中特殊成像現象探究

(江蘇省徐州市第一中學，江蘇 徐州 221140)

物理學是一門基礎學科，許多新興學科都是在物理學的基礎上發展起來的，基于物理學而產生的新技術也已滲透到生活的各個角落，對物理學的學習和研究是必不可少的。要學好這門課程，在中學階段需要培養學生的物理學習興趣，培養學生對生活中物理現象的觀察、探究的良好習慣。電梯是工作和生活中常見的設備，有的電梯中存在著一種特殊的光學現象，圖1為筆者拍攝的某一電梯內的成像圖，左側為樓層指示燈所在的平面，右側為與之相鄰的且成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了左右顛倒的像，像的左右兩側還出現了亮度逐漸減弱的亮帶。

圖1

由平面鏡成像規律知，如果將金屬壁看作是平面鏡，樓層指示燈“18”只會出現一個虛像“81”，不會出現圖1中的亮帶。為了弄清楚其背后的物理原理，筆者開展了相應的研究和探討。

1 電梯壁的顯微結構分析

直觀上看電梯壁是平整光滑的，但是以上現象顯然不能用平面鏡成像規律來解釋，因此，需要弄清楚電梯壁的結構。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顯微鏡進行觀測。于是，筆者利用放大倍數為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構圖，從圖中可以看出金屬壁具有明顯的柵狀結構，照片中暗條紋的區域為凹槽部分，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也有窄有寬，說明該金屬壁為非均勻柵狀結構，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象。面光源可以看成由無數個點光源構成，每一個點光源經過光柵都會成像，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m+1級的光譜與m級的條紋重疊現象。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，當面光源較大或光柵的分辨力較低時，會出現不同級次的條紋之間重疊現象，條紋會變得模糊。

圖3

2.2 非均勻反射光柵的光譜重疊現象

根據圖2顯示的顯微結構圖可知，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，發生衍射光譜重疊現象。如圖4所示，入射光經過該類光柵反射后，仍然會出現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，出現的各級條紋不再關于中軸線對稱分布，且正級條紋和相同數值的負級

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。當光柵某一位置的光柵常數越小，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，當光柵常數越大，衍射條紋之間的間距越小。當光柵常數大到一定程度后，各級衍射條紋之間發生重疊現象，于是連續的帶狀亮紋便會出現。

圖4

3 結語

本文展示了從電梯中的特殊成像現象的發現，到揭示其物理原理的探究過程。同學們應該多留意日常生活中的物理現象，養成良好的觀察習慣，善于總結，提高自己發現問題和解決問題的能力。