每當我們走進公園 常常看到美麗的蝴蝶在花叢上翩翩起舞 蝴蝶的翅膀拍動時 在陽光下一閃一閃的 你有沒有想過這是什麼原理造成的呢？ 聰明的你可能會聯想到 受風吹過的水面 也會像這樣一閃一閃 波光粼粼 這是因為水波的波峰、波谷 相互影響形成的干涉條紋 從先前的影片中我們學到 光也有波動的性質 所以蝴蝶翅膀一閃一閃的 會不會也同樣是因為干涉呢？ 要驗證這個假設以前 讓我們先來充分瞭解一下 水的干涉現象是如何產生的 首先 討論最簡單的一維水波 有一週期水波由左方向右方傳遞 此時又有一振幅、頻率、波長完全相同的波 向左方傳遞 此時兩個波就會互相影響 互相疊加在一起 當波峰相遇或是波谷相遇時 即形成最大的合成振幅 稱為波腹 而當波峰和波谷相遇會相互抵消 形成不動的節點 稱為波節 因此x軸上每個點的振幅並不相同 這就是水波的干涉效應 如果進入到二維的情況 水波的干涉看起來會如何呢？ 有兩個頻率振幅皆相同 也就是同相點波源 規律地擊打水面 形成一圈圈向外傳遞的圓形波 兩個波會互相干涉 在波峰和波峰 或是波谷和波谷的相疊處 形成振幅最大的波腹 反之如果在波峰與波谷的交疊處 產生破壞性干涉 形成振幅幾乎等於零的波節 如果把所有波腹連接起來 會變成一條一條的線 同樣的 把所有波節連接起來 也會變成一條一條的線 我們可以發現 波的干涉結果 與兩個波源到該點的距離差 也就是波程差有關 所有波程差相同的點 可以連成一條線 如果在遠處擺放一面板子 就會發現板子上有振幅強弱間隔相間的點 如果光也有干涉的現象 那只要我們隨意取一光源 讓光通過雙狹縫產生圓形波 在遠方擺放一個屏幕 應該也能看到波腹與波節間隔的點 也就是應該出現亮暗相間的條紋 但如果真的如上述所說的一樣 我們在生活中 應該到處都可以發現這樣亮暗亮暗相間的點 但為什麼我們都沒有觀察到呢？ 讓我們再仔細思考一下 水波互相干涉後 可以產生明亮相間的整齊波紋 是由於產生波動的波源 為同調波源 代表兩波源頻率相同 且相位相同 也就是波峰和波谷的位置相同 但是在我們生活中的光並不符合同調性 大部分的光是由很多不同頻率的光疊加在一起的 而且不同波的波峰和波谷處並不相同 不滿足同調性 這就是為何我們無法看到光的干涉性質 1801年 英國科學家楊格成功地解決了這個問題 並用實驗證明了光的干涉效應 他首先將一束光射過一個濾光器 比如像玻璃紙 只容許特定頻率的光通過 如此光束中就只留下頻率相同的光 接著他讓光經過一個單狹縫 根據惠更斯原理 光在經過狹縫時 可以被視為一個新的點波源 光就由這個波源向外傳播 因此光的波峰、波谷所在的位置都相同 滿足同調性 接著這個圓形波再經過雙狹縫 形成兩個由點波源向外傳遞的圓形波 兩者相互干涉 就成功地在後方的屏幕 形成亮暗亮暗相間的條紋 不過這邊要注意的是 在水波的干涉和光的干涉中 暗紋與亮紋代表的意義不同 水波波峰會像一面凸透鏡 會聚焦光形成亮紋 波谷則像凹透鏡 會發散光形成暗紋 所以腹線是亮與暗點間隔組成的線 節點則是振幅很低的點 不會聚焦與發散光 因此亮暗不明顯 而光波的振幅大 代表強度強 所以腹點較亮 節點振幅小、光強度小 因此是暗點 我們來思考一下這個問題 讓我們回到最開始的問題 為何蝴蝶拍動翅膀時會一閃一閃的呢？ 如果我們用顯微鏡來觀察蝴蝶的翅膀 會發現翅膀的表面 有很多奈米到微米等級大小的鱗片 這些鱗片排成一條一條很像百葉窗的結構 當光線照射在鱗片時 會被各層結構反射 反射出的光線與自狹縫發出光線相同 都像是由一個個點波源發出 因此會相互干涉 形成干涉條紋 當蝴蝶翅膀拍動時 有時是亮紋照射到我們的眼睛 有時則是暗紋 所以就會形成一閃一閃的美麗效果 其實我們生活中的光碟片 就是運用了蝴蝶翅膀的原理喔 如果我們把光碟片一閃一閃的那面 放在顯微鏡下觀察 也會發現有凹凸凹凸的溝槽 這些溝槽就是用來儲存光碟中的資訊 當要讀取光碟時 會用兩束雷射光照射光碟表面 若雷射光同時照到凹槽或是凸槽 反射後的兩束雷射光 會產生建設性干涉 波形會疊在一起產生較大振幅的光 看起來較亮 反之若一束雷射光照到凹槽 一束照到凸槽 反射的雷射波峰剛好對到波谷 疊加之後完全抵消 會產生破壞性干涉 因此看起來較暗 這些反射的光經由光檢測器 轉換成電壓訊號輸出 最後轉譯成反射光的強弱的數位訊號 0及1輸出 最後由播放器讀取後 就成為在電腦螢幕上出現的電影或是音樂 起初光碟片的靈感就是來自蝴蝶翅膀 是不是很有趣呢？ 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 光的干涉現象與水波一樣 會形成亮暗相間的紋路 但要注意的是 光波的干涉在波腹的地方最亮 波節最暗 水波的干涉則是 波腹處在波峰的狀態時最亮 處在波谷的狀態時最暗 波節則介於中間 要同時滿足同頻率以及同調性 才能形成明顯的干涉條紋 光碟片的讀取 就是利用光的干涉原理 每次在飛機起降時 總會被提醒要關閉手機 或任何會發出電磁波的設備 這是為什麼呢？ 其實飛機起降 並不是靠飛機駕駛的眼睛來看跑道的位置 而是靠飛機上的盲降系統 而這也是利用了光 也就是電磁波的干涉原理 地面的導航站會發射電磁波 用電磁波的干涉圖樣 來引導飛機到正確的跑道位置 如此在天氣不好時 仍能準確的找到該降落的跑道 所以起降時才要我們關閉電子設備 以防影響系統的判斷 是不是很有趣呢？ 想瞭解盲降系統的原理嗎？ 我們下支影片再揭曉 今天就到這邊囉！ bye bye