探究神奇的光致旋渦現象

劉厚宇，張懷華

1.信陽市第一高級中學，河南 信陽464000

2.焦作市十一中，河南 焦作454150

1 發現奇怪的光致旋渦

2019年3月7日晚上，在校園偶然發現一個很奇怪的光學視覺現象。照片是利用手機透過垂柳的枝條拍攝路燈得到的。單獨看柳枝是直條的，但透過柳枝對著燈光看，柳枝成旋轉狀，構成了一種神奇的“旋渦”。

如圖1，這兩張照片都是利用手機透過樹枝對著路燈拍攝的，在照片上看，以光源為中心，四周有一圈一圈明亮的不連續的亮圈，這些不連續的亮圈構成了一個神奇的“旋渦”。

圖1 柳樹枝后面的路燈

照片中構成“旋渦”的亮圈是怎么形成的？為什么不連續？為什么成環狀？應該構建什么樣的光學模型？

2 光致旋渦現象研究現狀

這種奇怪的光學視覺現象是否很少見？有沒有文獻對這種現象進行解釋呢？

在進一步的檢索中，尚未發現有文獻對這種現象給予解釋，看來是一個值得研究的科學現象，只是在百度圖片中發現幾幅類似的照片（圖2）。

圖2 冬天某樹枝后面的路燈

3 光致旋渦現象的后期實驗

為了更好地實現“光致旋渦”現象的模型搭建，后來使用了電動車頭盔的防風罩，防風罩的表面有很多走向雜亂的條紋。透過防風罩觀察光源，可以在光源四周看到類似的“旋渦”狀結構。（圖 3）

圖3 摩托車頭盔防風罩（白天）

4 模型建構

研究發現，構成“旋渦”中任意一個同心圓的，絕不是同一根柳樹枝條，而是很多條柳樹枝條在不同位置的反光段在視野中的投影。

如圖4所示，把位于觀察者和光源之間的柳樹枝條的反光部分抽象為一個反射面，當光線從光源射出，經過反射面反射之后，如果能進入觀察者的眼中，反射面的法線為入射光線與反射光線的角平分線，每一個反射面的入射光線、反射光線和法線都與光源和觀察者共面。

圖4 物理建模

5 理論分析

如果把每一個能夠把光線射入觀察者眼中的反光區域抽象為一個反光圓盤，則反光圓盤在視野平面內的投影將是一個橢圓，橢圓的長軸與法線投影垂直。

在觀察者的視野中，由于每一個圓形反射面的法線在視野中的投影都指向光源，每一個圓盤反射面在視野中投影得到的橢圓的長軸都位于以光源為圓心的某一個圓的切線方向上。

由于視野中的柳樹枝條非常靠近觀察者與光源的連線，反射平面與反射光線趨近于平行，反光圓盤在視野中的投影就趨近于一條與法線投影垂直的線段了。

6 動畫模擬

為了檢驗上述分析是否正確，可以在幾何畫板中對上述分析進行模擬驗證。

如圖5所示，在幾何畫板中運用上述原理進行動畫模擬，隨機繪制反光區域在視野平面上的投影，最終在視野中得到一幅類似旋渦狀的畫面。對比發現，幾何畫板模擬出來的圖像與手機拍攝的圖像非常吻合。

圖5 動畫模擬

幾何畫板是一款易學易用、數理性極強的學習軟件，它可以即時演示動態的幾何關系，當使用鼠標選定目標拖動設定的控制對象時，繪制的圖形就可以跟隨其活動起來，在活動過程中保持給定的幾何關系，同時還具有“矢量圖的體積小、清晰度高、放大不模糊、易拆分和組合、組建圖形庫資源”等突出優點。

7 研究結論

由于大量的柳樹枝條在空中的指向是隨機分布的，所以任意一個柳樹枝條上的反光區域也在空中隨機分布，但是每一個反光區域在視野中的投影都在以光源為圓心的同心圓的切線方向上，從而在觀察者的視野中構成了神奇的“旋渦”景觀。

在思考如何對光的反射進行科學探究的過程中，模型法和動畫模擬發揮了至關重要的作用，基于數學模型對光的反射的歸納與提煉，彰顯了物理規律的簡潔美。在幾何光學的學習中，重要的一步就是在光線模型的基礎上建立光路模型，從幾何的角度研究光的規律。