电梯中特殊成像现象探究

(江苏省徐州市第一中学，江苏 徐州 221140)

物理学是一门基础学科，许多新兴学科都是在物理学的基础上发展起来的，基于物理学而产生的新技术也已渗透到生活的各个角落，对物理学的学习和研究是必不可少的。要学好这门课程，在中学阶段需要培养学生的物理学习兴趣，培养学生对生活中物理现象的观察、探究的良好习惯。电梯是工作和生活中常见的设备，有的电梯中存在着一种特殊的光学现象，图1为笔者拍摄的某一电梯内的成像图，左侧为楼层指示灯所在的平面，右侧为与之相邻的且成90°角的金属平面。从图1中可以看出，“18”的指示灯所成像的中间出现了左右颠倒的像，像的左右两侧还出现了亮度逐渐减弱的亮带。

图1

由平面镜成像规律知，如果将金属壁看作是平面镜，楼层指示灯“18”只会出现一个虚像“81”，不会出现图1中的亮带。为了弄清楚其背后的物理原理，笔者开展了相应的研究和探讨。

1 电梯壁的显微结构分析

直观上看电梯壁是平整光滑的，但是以上现象显然不能用平面镜成像规律来解释，因此，需要弄清楚电梯壁的结构。由于电梯壁不便拆除和切割，所以无法采用固定的高精度光学显微镜进行观测。于是，笔者利用放大倍数为100的便携式显微镜进行拍摄。图2为所拍摄的电梯金属壁显微结构图，从图中可以看出金属壁具有明显的栅状结构，照片中暗条纹的区域为凹槽部分，每一个凹槽的宽度不尽相同，凹槽与凹槽之间的间隔即光栅常数也有窄有宽，说明该金属壁为非均匀栅状结构，考虑到观察到的是反射成像，所以此光栅可视为非均匀反射光栅。

图2

2 均匀与非均匀反射光栅的成像

2.1 均匀反射光栅的光谱重叠现象

首先讨论光源为具有一定大小的单色面光源、距离均匀反射光栅为有限远的地方的成像现象。面光源可以看成由无数个点光源构成，每一个点光源经过光栅都会成像，如果光栅的分辨率较高，其各级条纹都可以被分辨开(如图3a)。中央为0级条纹，依次向外为对称分布的±1,±2,级条纹。0级条纹的宽度为其他级条纹宽度的两倍，且其占有绝大部分光能量，仅有很少部分光能量分布于其他级条纹上。如果光栅的分辨率较低，可能会出现m+1级的光谱与m级的条纹重叠现象。如果光源为面光源，如图3b所示，则在像平面上所成的像为每一个点光源所成的像的叠加，于是，各级条纹的宽度变大，当面光源较大或光栅的分辨力较低时，会出现不同级次的条纹之间重叠现象，条纹会变得模糊。

图3

2.2 非均匀反射光栅的光谱重叠现象

根据图2显示的显微结构图可知，金属壁是非均匀反射光栅，为此，需要讨论光源为具有一定大小的单色面光源，位于非均匀反射光栅附近处，发生衍射光谱重叠现象。如图4所示，入射光经过该类光栅反射后，仍然会出现0级条纹,±1级条纹,。由于光栅是不均匀的，相对于均匀反射光栅的成像，出现的各级条纹不再关于中轴线对称分布，且正级条纹和相同数值的负级

条纹的宽度也不尽相同，但是，能量仍然主要集中在0级条纹中。当光栅某一位置的光栅常数越小，光栅的波长分辨极限就越大，衍射条纹之间的间距越大，反之，当光栅常数越大，衍射条纹之间的间距越小。当光栅常数大到一定程度后，各级衍射条纹之间发生重叠现象，于是连续的带状亮纹便会出现。

图4

3 结语

本文展示了从电梯中的特殊成像现象的发现，到揭示其物理原理的探究过程。同学们应该多留意日常生活中的物理现象，养成良好的观察习惯，善于总结，提高自己发现问题和解决问题的能力。