利用几何画板探究被激光照射的肥皂泡可以从圆心辐射出亮线的原因

1 引言

最近一段时间，微主一直在思考激光照射肥皂泡时从肥皂泡会从圆心辐射出亮线的原因，也做了一些实验，估计因为实验条件太落后的原因，效果一直非常不理想，还是利用几何画板开展理论研究吧，毕竟是自己擅长的领域。

网友实验视频

2 分析与模拟

经过的深入思考，逐渐理清了经过圆心的激光束的形成原因，激光束并不是圆周上的点光源辐射出来的，而是面光源在桌面上投影的结果。

由于激光是一条直线，肥皂泡可以视为理想的半球面，则激光在肥皂泡内外表面之间往复反射向前传播时，其传播路径宏观上看起来必然是以肥皂泡球心为圆心的大圆的一部分圆弧，圆弧所在的平面与肥皂泡的底面的交线必然经过圆心。

激光掠射入肥皂膜并在肥皂膜内传播时，由于反射点在外表面时的入射角小于临界角，激光的一部分在反射点发生折射，射入肥皂泡外；激光的另一部分发生反射，继续在肥皂膜内传播。

在几何画板软件中，可以构建肥皂泡光学模型，利用光的反射和折射定律绘制反射光线和折射光线，在运用迭代功能生成反射系列和折射系列。

平面折射和反射光路

从平面折射和反射光路可以看出，在激光在肥皂膜大圆上传播的路径上，处处有激光射出肥皂泡，射出肥皂泡的激光在大圆所在平面内。

空间出射光路

从空间出射光路可以发现，由于激光在肥皂泡的大圆上传播，在传播路径上的每一点都有激光射出，从而构成平面光幕。光幕所在平面就是激光路径所在大圆的平面，而这个平面过肥皂泡的球心。由于肥皂泡球心在桌面内，当平面光幕与桌面相交时，激光平面光幕投射在桌面上形成的明亮的交线必然经过肥皂泡的球心。

由于激光在肥皂膜内传播的终点为激光轨迹所在的大圆与桌面的交点，激光束在该交点处发生漫反射，形成点光源。由于该点光源恰好位于亮线的起始点，就让人们产生了“光芒是由点光源发出的”错觉。

在过肥皂泡球心的出射线的前方放置一个光屏，光屏上为什么会出现“X”形状的图案呢？

实景模拟

从实景模拟中可以看到，屏幕上的“X”形状的图案的下一半是由桌面反射成像导致的；屏幕上右侧的亮线是激光平面光幕直接投射在屏幕上导致的；屏幕上左侧的亮线是激光平面光幕经桌面反射后再投射在屏幕上导致的；桌面上过肥皂泡球心的亮线是激光平面光幕直接投射在桌面上导致的。

3 结论

由于所有入射线、反射线和折射线都共面，形成过肥皂泡球心的平面光幕；该平面光幕与水平桌面的交线必然过球心，从肥皂泡表面折射出来的激光与水平桌面的交点必然在交线上，这些交点构成一条亮线，由于该亮线在交线上，所以亮线的延长线必然经过球心，从视觉上看起来，桌面上的这条亮线就像是从肥皂泡的球心射出的一样。

至于在光屏上呈现出的“X”形图案，那是激光平面光幕直接或者经过桌面反射后投射在光屏上形成的。

4 猜想与建议

如果在做视频中的实验时，在肥皂泡上喷一些烟雾，利用丁达尔效应，应该可看到从肥皂泡外表面折射出来折射光线系列构成的激光光幕。

| 创客焦作 | 

河南创客焦作是焦作市创客教育名师工作室的微信公众平台，以创客教育为主要研究方向，分享创客案例，讲解创新方法，启迪创意设计，开展科学探究，组织社会调查，指导论文写作，参加创客大赛和专利申请，发现、培养和成就一批具有创新潜质的学生。

河南公众号码：chuangkejiaozuo

河南名师博客：http://blog.sina.com.cn/updays