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肥皂泡上那些美丽的彩色斑纹
2017-07-0716:19:30 来源:科普中国-科学原理一点通
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  我们常常看到这样的一些现象:肥皂泡在阳光下呈现出五彩斑斓的色彩,水面上的油膜表面呈现光鲜的彩色条纹。肥皂膜和油膜本身是无色的,为何会呈现出如此美丽的颜色呢?其实,这是白光在透明薄膜的上、下表面反射并相互干涉的结果。

美丽而神奇的肥皂泡

  流动的彩色波纹

  物理学家研究表明:光波像池塘里的水波一样,具有波动性。向池塘的水里投两颗石子,产生的涟漪相遇,相互干涉,形成了美丽的干涉花纹。如果仔细观察,还会发现这些水波某些位置处的振动一直加强,而另一些位置处的振动却一直在减弱。

  同样的道理,当两束或多束频率相同的光相遇时,也会产生相互干涉的现象。某些位置处的光振动一直在加强,所以此处就比较亮,称作相长干涉;某些位置处的光振动一直在减弱,所以此处就比较暗,称作相消干涉。值得一提的是,一定厚度的膜,仅能使一定波长(颜色)的光产生稳定的相长干涉或者相消干涉。例如,在某处,如果仅红色光满足相长干涉条件,那么此处就呈现红色;如果此处仅有绿色光满足相长干涉条件,那么此处就只会呈现绿色。

  肥皂膜是透明薄膜,而且有上、下两个表面。当太阳光照射在肥皂膜的表面时,会分别被薄膜的上、下两个表面反射,如此,一束光就变为两束相互干涉的反射光线。太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种单色组成的可见光,由于肥皂膜在各处的厚度并不均匀,根据相长干涉和相消干涉理论,在膜面厚度不同的位置上,既会有不同颜色的光满足相长干涉条件,也会有不同颜色的光满足相消干涉条件。如此一来,阳光中的7种单色光,在肥皂膜厚度不同的地方,就会出现有的会加强,有的会减弱,有的甚至会相互抵消。在色彩表现上,也会出现肥皂膜上有的地方红一些,有些地方蓝一些,有些地方绿一些,有些地方又会显出其他的颜色的情况。就这样,肥皂膜把阳光分解,呈现出五颜六色的图案。另外,液体的流动会导致薄膜厚度发生细微的变化,薄膜上的彩色斑纹也随之流动,因此,我们看到的彩色波纹也是流动的。

  不仅仅肥皂泡会发生这样的现象,任何透明薄膜只要有光线射入,都会产生这样的现象。例如,我们常见的水上的油膜、蜻蜓的翅膀、CD片等等,在阳光的照射下,它们都会呈现出缤纷斑斓的色彩,其原理与肥皂泡呈现彩色的原理相同,这种颜色叫做薄膜色。这种现象称为光的干涉。

波光粼粼

  破灭的绚丽色彩

  我们吹肥皂泡时,还会发现一个非常有趣的现象,刚开始吹时,色彩并没有那么绚丽:随着泡泡被逐渐吹得越来越大,它的色彩也会变得越来越亮丽,直至破灭。这又是怎么回事呢?

  原来,并不是所有厚度的透明膜都会发生光的干涉现象。如果膜过厚,膜下表面与膜上表面的反射光就不会相互干涉。当肥皂泡被吹得越来越大时,膜也会随着越变越薄,当能满足光的干涉条件时,才会形成美丽的色彩和图案。

  薄膜的颜色与其厚度有关,按照这个道理,就产生了一些非常有趣的应用。例如,检验精密机械零件的表面是否存在瑕疵,通常的检验方法是:先把被检查的表面与一个标准的表面相接,然后放在光线下照射,仔细观察两个表面间的空气薄膜所产生的彩色斑纹。如果彩色斑纹发生畸形变化,就说明被测的表面有缺陷。然后再根据斑纹的畸变、弯曲的形状和不规则的程度,来确定被测表面的缺陷所在位置和缺陷程度。

  肥皂泡吹制器

  由于肥皂泡色彩斑斓,变幻多端,非常有趣,所以吹肥皂泡就成了大家都喜欢的一种娱乐活动。吹肥皂泡所用的工具是吹制器,其品种和做法也很多。

  1.铁丝环形吹制器

  最简单的是与商品肥皂泡液一起买来的塑料吹制器。但由于肥皂泡的大小由吹制器的直径决定,因此有时根据自己的需求和喜好需要自制吹制器。这个很简单,因为多数环形结构的物品都可以被采用。例如,可以用铁丝弯成环形,并在其上加一个柄,铁丝要足够粗以便维持环的形状。绕着铁丝可以缠上棉线或纱布,以便使肥皂水更容易粘在环上。

  2.“巨型肥皂泡”吹制器

  KlutzPress推出的一种“巨型肥皂泡”吹制器,是采用布圈带塑料手柄,并且还带一个活动的部件以便允许环轻柔的开或闭。Klutz出售肥皂泡手册教授技巧和有趣的想法,通常会附带可以立即使用的肥皂泡圈。

  3.肥皂泡管

  还有一种是肥皂泡管,它用塑料制成,形状像烟斗,有时还带有多个槽。把肥皂泡溶液倒入管的槽中,在“烟嘴”吹气槽中就会产生气泡。

吹泡泡的女孩

  肥皂泡表演艺术

  肥皂泡喜闻乐见,因此肥皂泡表演也应运而生,它融合了娱乐和艺术创作。他们所需用的肥皂液是有一定的技巧和技术含量的。有些艺术家能够吹出巨大的气泡,能够制成立方体、四面体和其它形体,能做成物体,甚至是人物形状。为增强视觉效果,艺术家们会用烟,或者氦气填充,并配以激光或火焰。肥皂泡还可用天然气之类的可燃气体填充,然后将其点燃,当然这是在毁掉该肥皂泡。

  吹肥皂泡现在已经成了大众化的娱乐活动,出现了很多肥皂泡艺术家。美国人汤姆·诺迪(Tom Noddy)就是其中一个,他能吹出一串一串的泡泡,还能够让一个泡泡套着另一个泡泡,甚至还能把烟吹进泡泡中,用以突出泡泡的形状。他在世界的许多国家和地区都进行过表演,吸引了一些数学家来观看。1982年,在汤姆的建议下设立了肥皂泡节,第一个肥皂泡节就吸引了约15000名肥皂泡爱好者。

  肥皂泡艺术家高超的技术和表演,也使得肥皂泡吉尼斯世界纪录在不断被打破。2007年在英国伦敦博物馆,被称为泡泡人的SAMSAM,制出一个巨大的肥皂泡,将50名学生罩在了里面,打破了之前一个泡泡容纳42个人的吉尼斯世界纪录。

  本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创 转载时务请注明出处

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