本文综合自《知识就是力量》杂志
各位小伙伴好，之前我们已经了解过为什么泡沫一触就破？但爱吹泡泡的知力君发现并不一定每个泡泡都是五彩缤纷的，尤其在没有阳光的地方泡泡的表面很灰暗。这是怎么回事呢？
阳光下彩色泡泡
泡泡其实就是被洗涤剂分子包裹着的一层薄薄的水膜。或许我们已经知道，空气和水都是可以透过光的介质，它们的交界处叫作“界面”。当光遇到一个界面时，一部分会被反射回来，还有一部分会继续前进，发生折射。
光的反射、折射、吸收与分散
肥皂泡上的一层水膜，看起来非常的薄，但在微观上来看却拥有两个“空气-水”界面。光从空气中遇上水膜，先后遇到这两个“空气-水”界面，每遇到这个界面时，便会有一部分的光直接发生反射改变原来的方向，而另一部分会发生折射直至有一部分穿过水膜回到空气当中。于是，其中一部分的光会在水膜中循环反射多次，发生干涉现象。
干涉是光的一种基本性质。同一时刻在同一位置上的多条光波会互相叠加各自的光强度，也即发生了干涉现象。而干涉产生的效果与相位有关，以致产生两个极端的效果——同相更强，反相相消。在物理学上，将两束光的峰值叠加在一起变得更强称为“相长干涉”，而两束光的峰值和谷值分别叠加在一起互相抵消则称为“相消干涉”。这是干涉中的两种极端情况，在通常情况下，实际的干涉会介于相长干涉和相消干涉之间。
相长干涉及相消干涉
光的频率(也即光的颜色)以及薄膜的厚度对实际干涉的具体情况又会产生影响，以至于某些波长的反射光会被削弱，而有的波长则会被增强，光强度的增减使薄膜上出现不断变化的色彩。
日常生活中，我们也可以观察到，吹出来的泡泡会往下滴水。同理，在重力因素的影响下，泡泡顶部的水膜会先变薄，再加上水分的蒸发，使得水膜上光的干涉情况时刻发生变化，使泡泡呈现出光影的变化。
那怎样才能更神奇地玩泡泡？
当然是用科学知识来助我们一臂之力了。
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科学吹泡泡
1、怎样让泡泡保持的时间更久？
保持时间的秘诀，是让泡泡周围的环境尽量湿润。如果你想让泡泡停在你的书桌上，那最好先把书桌弄湿，否则干燥的桌面一接触泡泡，就会将水分吸走，把泡泡弄破。可能你已经发现了，当泡泡停留在塑料、雨衣、橡胶手套这些防水材料上时，能够保持更长的时间，甚至你还可以用这些材料来把泡泡当乒乓球颠。这是因为，这些材料都具有疏水性，水不喜欢它们，喜欢躲它们远远的，所以泡泡一遇到它们，就弹开了。玩累的时候，你也就给泡泡找一个最安全的地方——水面，泡泡在那里，能保持的时间最长。
2、怎样让泡泡更结实？
如果想让泡泡不那么容易破，可以加入一些甘油或白糖，这些物质能够让泡泡更具韧性。你吹过的最大的泡泡有多大？听科学家说，泡泡最高能吹4米，宽度呢？没有最宽，只有更宽。你要不要挑战一下呢？
3、怎样搭建泡泡塔？
泡泡挤在一起时，接触面会紧贴在一起，你发现两个泡泡之间的面会向哪个方向凸起呢？有没有观察过？当小泡泡和大泡泡接触后，凸起会朝着大泡泡那方，两个大小一样的泡泡遇到一起，中间层会不偏不倚。三个势均力敌的泡泡在一起呢？接触面形成的角度恰好都是120°。那么更多的泡泡放一块又会怎样？不如动手试试看吧！
4、怎样吹出多层泡泡？
有的泡泡高手可以吹出多层的泡泡，一个大泡泡中套着一个中泡泡，中泡泡中还有小泡泡。这是怎么做到的呢？你可以先吹一个大泡泡，然后小心地将吸管抽出来，重新蘸一下洗涤灵和水的混合液，再小心地将吸管插入大泡泡，轻轻地吹，一个新泡泡就在大泡泡中诞生了。以此类推，就能吹出更多层的泡泡了。你最多能吹几层呢，比比看吧！
自然界中，存在许多种白光的分光现象，彩虹只是其中的一种。由光栅，薄膜，以及光弹性现象也可产生彩色光谱，但其机理与彩虹或棱镜的机理完全不同。
这篇文章集中总结了一些容易混淆的白光分解现象及其原理，如果您家娃以后问到，可以翻出来和娃一块读。
(图源：pixabay.com)
撰文 | 吴进远
编辑 | 邸利会
“肥皂泡，光盘上的彩色和彩虹是一回事吗？”
“彩虹和棱镜是一回事吗？”
自然界中，存在许多种白光的分光现象，彩虹只是其中的一种。这些分光现象的机理很不相同，如果从课本上找，它们分散在从初中到本科生物理之中。可是，一个孩子看见这些分光现象的次序，却不是由易到难的，不定什么时候问你哪一个。
如果家长只回答一句“太阳光是红橙黄绿青蓝紫七种颜色构成的”，然后就没了词儿，这样太敷衍了。如果随意说：“就像三棱镜一样”也不妥，因为对于很多分光现象而言，它们的原理与三棱镜是完全不同的，这样说是一种误导。
孩子们问起问题，源于其珍贵的好奇心与求知欲，极其需要悉心保护，家长们遇到问题最好先认真地查找一下再回答。我这里，就把一些容易混淆的白光分解现象及其原理集中写出来，您家娃以后问到，可以翻出来和娃一块读。
棱镜
谈到棱镜，大家都知道那位非常牛的牛顿，曾经用棱镜，将太阳的白光分解成了彩色的光带。我们现在，在学校和科技馆经常会看到类似的实验。当然，棱镜在普通的商店并不容易买到，不过我们可以寻找替代的器材，像这种棱边的镜子就可以用来做这个实验。
太阳光照到这样一个镜子上，反射出许多光斑，形成奇妙的花样。
这种奇妙的花样，对所有年龄段的学生都有强烈的吸引力。低幼年龄的学生甚至可以一边晒脚丫(以促进维生素d合成，改善钙质吸收)，一边观察这个光学现象。这些光斑中有一些是白色的，但也有一些是彩色的。
这样的彩色分光机制源于透明介质的色散。所谓色散，是指不同颜色的光在介质中的传播速度不同。
我们可以设想在学校里，学生们排着队，练习齐步走。如果这样的队列，从水泥地面，斜着走向旁边的草地，情况会怎么样呢？
水泥地面平整坚硬而草地则很松软，于是一个横排中，先走进草地的同学行进速度瞬间变慢。这样一来，横排的方向由此改变，整个队伍的行进方向也随之偏折，这对应于光学中的折射现象。假如有红队和蓝队两组学生，在草地中蓝队行进速度比红队慢，这样蓝队偏折的程度就会比较厉害。如果开始时两队在水泥地面的行进方向相同，那么到草地上的行进方向就会不同，这对应于光学中的色散现象。
明白了介质的色散，就很容易理解棱镜分解白光的原理了。
白光照射到棱镜的表面，不同颜色的光传播的方向因为介质的色散而变得不同。在棱镜的另一个表面，光线又经过一次折射。随着光线传播的距离不断增加，不同颜色的光沿着不同的方向传播，最终互相分离。
对于棱边的镜子，背后镀了一层银，其作用相当于把一个对称的棱镜折叠了一下。最终的效果还是把不同颜色的光分开，呈现出我们看到的彩色光斑。
我们看到能够分解白光的棱镜，都是前后两个表面不平行的。实际上，前后两个表面平行的透明体，比如平板玻璃，也应该算是一种特殊的棱镜。可是，当太阳光斜着射入房间时，我们却看不到白光的分解，难道平板玻璃没有色散？
实际上，不管玻璃做成什么形状，色散始终存在。太阳光在射入玻璃前表面时，不同颜色的光同样会折射到不同的方向，这和在棱镜中没有任何不同。可是，当光线传播到平板玻璃的后表面时，光线又经历了一次折射。这第二次折射与前一次折射角度大小相同而方向相反。于是，所有不同颜色的光又恢复到完全相同的方向，不管而后传播多远，仍然是混在一起的白光。
所以，棱镜上存在两个不平行的平面，使得色散效应不会在两次折射中完全抵消，这样才能将白光分解。
霓与虹
彩虹也是由于介质的色散造成的白光分解现象，有一些科普读物会说彩虹形成的原因“像三棱镜一样”。实际上，彩虹颜色产生的机理，与棱镜在很多方面是不同的。
彩虹是悬浮在空气中的水珠，在太阳的照耀下形成的。彩虹经常是由内外两个同心圆弧形的彩带构成的，内圈的叫做虹，外圈的叫做霓。
大家如果仔细看，不难发现霓与虹的色彩关系是正好相反的。虹的红色在外圈，紫色在內圈，而霓则反之。此外，霓比虹通常要更暗，这是由于霓比虹在水珠中要多经过一次反射。
太阳光照射到水珠上某一点，入射光线与球面法线的夹角i 称为入射角。光进入水珠时，发生折射，折射角为r。光线射到水珠的后壁，一部分透出水珠，而另一部分反射回水珠。反射回来的光再次到达水与空气的界面，又有一部分透出来，一部分反射回去。这透出来的光，就是我们看到的虹。
水珠中的光线第三次来到水与空气的界面，又有一部分透出来。这部分透出的光，构成我们看到的霓。光线每经过一次反射，能量都会分出去一部分。因此，霓的亮度比虹要弱。
光线在进出空气与水的界面时，经历两次折射。由于水的色散，不同颜色的光就会折射到不同的角度。不过，光线照射到水珠的不同的位置，对应的入射角 i 是不同的，因而对于虹而言，其出射角a，(或者霓的出射角b)也相应不同，情况比棱镜要复杂得多。
比如折射率比较低的红光，通过水珠后出射的光线如下图所示。
而折射率比较高的紫色光，其出射光线如下图所示。
我们可以看出，不论是哪种颜色的光，光线的出射角a都会散布在一个很宽的角度范围中，这与棱镜是不同的。当然，紫色光的出射角总体来看要比红光的出射角偏小些，从下图我们可以看得更清楚些。
太阳光照在水珠的不同位置，其入射角从0 到90 度都有可能。因而光线离开水珠的出射角a 也有多种可能值。不过，出射角存在一个最大值，这个最大值在 41度左右。不同颜色的光，其出射角的最大值也不相同。我们可以想象，对于某一种颜色的光，有很多条光线堆积在最大出射角附近，因而在不同的观察角上，我们就可以看到水珠呈现出某一种特定的颜色。
上面这张照片，是在入射阳光比较强的情况下拍摄的，我们可以看出，虹的最外圈是红色的。同时，由于各种颜色的光都可能存在出射角a小于41度的情况，因而在虹的内部，我们可以看到很强的白色光。
对于霓而言，某一颜色光的出射角b存在一个极小值，而各种颜色的光都可能存在出射角比较大的情况。我们可以看出，在霓之外，也存在多种颜色混合而成的白光。
有趣的是，在虹和霓之间的区域，观察角大于虹的出射角极大值，而又小于霓的出射角的极小值。太阳光照射到那里的水珠上，却不会反射回给观察者，因而这个区域是一个暗带。我们通过与其他区域比较不难看出这一点。
人们经常会问，为什么彩虹是圆弧形的，作者以前在《知识分子》公众号写过一篇文章，大家可以刨出来看，由于篇幅原因，这里就不再重复。
光栅
光栅是一种有着周期性透光或反射结构的光学元件。这种周期性结构很像平时见到的栅栏，只不过光栅的结构非常细小。高级的光栅往往是用精密机床在玻璃等材料上刻制，但科学用品商店有时可以买到用胶片制作的光栅。
白色光透过光栅会被分解开来，这是由于光在被光栅周期性结构遮挡后，发生衍射与干涉所致。衍射与干涉现象与光的波长有关，不同波长或者颜色的光透过光栅后，在不同的角度互相叠加而加强，而在其他角度互相抵消，这就使得白光被分解。将光栅粘贴在手机照相机的前面，在一间暗黑的房间中，点亮一盏卷管式的气体放电节能灯。手机的镜头不要直接对着灯，而应偏开一定角度，对着比较暗的背景，这时我们可以拍摄到很多个彩色的节能灯。
各种气体在节能灯的灯管当中放电，这种情况下往往会激发出若干很强很窄的谱线。从某种意义上说，我们看到的节能灯，实际上可以看成是有很多个不同颜色的节能灯叠合而成的。经过光栅，这些不同颜色的光，向着若干不同的角度传播出去。这样一来，我们就可以拍摄到上图中的这种现象。
在我们的印象当中，光栅是细小精密珍贵的。然而在事实上，一些比较粗大的周期性结构，也同样可以产生干涉和衍射现象。比如我们可以利用普通的窗纱，观察到相应白光分解现象。
用有长焦镜头的照相机，拍摄夜间到远景。当房间的窗户完全打开时，拍到的景象如下图所示。
同样的景色，如果隔着纱窗拍摄，就会得到下面的照片。我们看到远处的灯光朝四个方向展开。这些光芒是一段一段的，每一段都呈现彩色。窗纱是方格状的，是一种二维光栅，因此其衍射干涉的图样是向四个方向延伸的。
我们知道，一种波长的光透过光栅时，有时会在不只一个方向上互相加强，形成很多级的极大。光栅的结构越细，则极大之间的夹角就越大，反之结构越粗，这些极大之间的夹角就越小。
窗纱每根丝之间的间距比较大，因此极大之间的夹角相对比较小，因此我们可以在一个不大的角度范围内看到很多个极大。不过，由于极大之间的夹角比较小，因而用肉眼观察时往往不易发现光芒中存在的彩色。这就是为什么我们的照相机要用长焦镜头，长焦镜头起到放大视角的作用。实际上，我们用望远镜来观察远处的夜景，也可以看到同样的现象，望远镜也是一种放大视角的装置。
早几年，我们用光盘来存储音乐，电影或其他数据。光盘上有着很细密的圆形刻纹，因此是一种很好的环形光栅。利用光盘，可以做很多有趣的光谱分析实验。
大家可以带着孩子做个简单的实验。将一个光盘平放在桌面或地面上，旁边放一叠书。把手机照相机开到拍摄视频的模式，并且打开照明用的发光二极管。
将手机平放在书堆上，以保持稳定，且镜头垂直向下，对着光盘的中心。细心地调整手机与光盘的相对位置，就可以看到光盘上显示出了发光二极管的光谱。
我们可以看到，发光二极管的光谱不是均匀连续的，其中存在比较强的蓝色，而从红到绿则是相对较暗的宽带。很多白光发光二极管实质上发蓝光的，只不过在器件中添加了某些荧光材料。这种荧光材料吸收波长比较短的蓝光，转换成波长比较长的红绿光。这样，一些不同波长的光混在一起，刺激人眼的感光细胞，我们就感觉这种光是白色的。
显然，白光发光二极管的光谱与自然白光的光谱是不同的。自然白光如太阳光，火光等源于黑体辐射，其光谱中不同波长的成分相对强度比较一致，没有某种颜色比其他颜色强很多的情况。因此，对于白色发光二极管对人眼健康是否有影响这个问题，还是应该慎重对待的。我们普通人可以做到的，是尽量避免过度使用手机或其他电子产品的显示屏，尽可能多多接触室外的自然光。
光盘中有cd与dvd两种，dvd的刻纹比cd更细，因此对不同波长的展开角度更大。不过，使用cd来做实验比较容易拍摄到完整的可见光谱，而用dvd则不太容易拍全。
如果在光盘的轴线上远处有比较小的其他光源，比如小灯泡，或者卷管式的气体放电节能灯，我们也可以拍摄到这些光源的光谱。这时手机上的发光二极管不需要打开，手机照相机只需要设置成普通的照相模式即可。
薄膜
吹肥皂泡是孩子们喜欢的一种游戏，肥皂泡经常呈现出绚丽缤纷的色彩。肥皂泡上的色彩，是一种光的干涉现象。
很多情况下，我们都能在薄膜上看到白光的分解现象。比如下雨天滴在马路上的汽油，摊成薄膜，常常会呈现出美丽奇妙的图样。
一个薄膜有上下两个表面，光照上去，两个表面都会把光反射回来。从这两个表面反射回来的光互相叠加而出现干涉现象。对于某一波长的光，在一定厚度的薄膜上下两个表面反射，这两个反射光可能加强，也可能互相抵消。反射的角度也会影响到这种加强或抵消。
我们在观察薄膜上的某一个位置时，如果一种波长的光互相加强，则另一种波长的光就可能抵消。比如在某个位置红色加强，则紫色可能会抵消。反之在另一位置，紫色可能加强而红色可能抵消。这样，薄膜就可能呈现彩色的干涉图样。
此外，我们还能注意到，能够看到白光分解现象的薄膜通常比较薄。如果薄膜太厚，当前后两个表面反射的光波相遇时，这两个光波很可能来自两个互不相干的原子，这样一来，两个波到底是加强还是抵消就完全变成了随机的，而不仅仅取决于光的波长，这样的薄膜表面的反光通常是白色的。
当我们把肥皂膜竖立起来后，在重力作用下，肥皂膜变成楔形，上面薄而下面厚。由于薄膜上的色彩与薄膜的厚度有关，所以，竖立起来的肥皂膜显示出横向的彩色条纹。
光弹性
光弹性现象来源于一些透明材料，比如硬塑料或者有机玻璃，在内部应力影响下产生的双折射现象。双折射是指光线透过材料时表现出两种不同的折射率。比如一个偏振光可以分解为两个不同的偏振分量，而这两个偏振分量的折射率，或者说传播速度，在水或者空气等介质中，通常是一样的。但在双折射介质中，这两个偏振分量的速度可能是不同的。
当光穿过一定厚度的双折射介质后，两个跑得不一样快的偏振分量重新结合，其总效果，是偏振光的偏振方向改变了。对于不同波长的光，其偏振方向的改变量也有所不同。当这些光通过过一个偏振片时，不同颜色的光的相对强度也因偏振方向的不同而改变。这样我们就能看到塑料构件上的彩色了。
我们拍摄这个照片时，用笔记本计算机的显示屏作为光源。液晶显示屏表面最外层是偏振片，射出的光是偏振的。
硬塑料制品是通过注塑工艺制作的，在冷却过程中，内部残留了复杂的应力，很多地方介质是双折射的。
硬塑料制品放在显示屏前面本身并不产生彩色，但如果把另一个偏振片放在眼前，或者挡在照相机的镜头前，就能看到绚烂纷呈的色彩了。
由光栅，薄膜，以及光弹性现象所产生的彩色光谱，与彩虹或棱镜的机理完全不同。希望大家把这些搞清楚，避免将来给孩子留在混淆的概念。
简单地说，并不是只有彩虹或者棱镜才可以把白光分解成绚烂的七彩。
2005年7月3日 星期日 雨转晴
今天，我跟着妈妈到公园里玩。
我们先来到了一个公园。来到公园上的广场后，我拿起了一瓶肥皂水，将一个小小的塑料圈放在里面泡；泡了几秒钟后，我把塑料圈缓缓地拉出来，放在嘴边轻轻一吹。只见一颗颗晶莹剔透的泡泡从嘴边飞了出来，在空中自由地飘荡，宛如浮在空中的一颗颗珍珠。这时，太阳从云朵中爬了出来。忽然，我发现这些泡泡在阳光的照射下，变得五彩缤纷，像是披上了彩虹的外衣。咦，这是为什么呢？
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阳光下的泡泡
图12 来源|360百科
走出公园，我们来到了马路的边上。刚刚下完雨，马路上湿漉漉的。突然，我看见马路面上有一片区域变成了彩色，宛如一条睡在地上的彩虹。突然，一辆车从它的上面掠过。之后，更奇怪的事情发生了：这片彩虹的颜色和形状突然开始变化了，就像一只会流动的精灵一样。咦，这是为什么呢？
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马路上的“彩虹”
图13 来源|360百科
这时，妈妈告诉我，这都是光的干涉所起的作用。不过，这次并不是双缝干涉，而是薄膜干涉。一束光照在一张薄膜上后，其中的一部分光(下图中的b)会直接在薄膜的上表面反射；而还有一部分的光(下图中的a)则会折射进入薄膜，在薄膜的下表面被反射回来，然后再折射回空气中。
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图14 薄膜干涉
来源|wikipedia
显然，在薄膜上、下表面反射的两束光走过的里程是有差异的；而且在入射介质折射率比出射介质折射率大时，反射光还会被强行扣除半个波长的里程，即所谓的“半波损失”。这就会导致两束光出现相位差。这个相位差并不是固定的，而是和光的波长密切相关的。当a、b两束光结合在一起后，会互相干涉。众所周知，太阳光是红橙黄绿青蓝紫的结合；而每种颜色的光，都拥有不同的波长。这就导致有些颜色的光因相长干涉而映入人们的眼帘，而另一些颜色的光则因为相消干涉而消失不见。[2]
我今天吹出的肥皂泡，其实是一圈的薄膜；而马路上的彩虹，实际上也就是路面积水上一层薄薄的油膜。作为薄膜，它们尽管没有颜色，但却能借助薄膜干涉呈现出许许多多的颜色。而且，参与薄膜干涉的两束光的相位差并不是固定的，而是随着薄膜厚度而变化的。因此，我便看见了颜色变幻莫测的泡泡，以及流动的路面彩虹。[3]
原来是薄膜干涉，造就了阳光下的五彩缤纷！
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