Mechanics 版 (精华区)

发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: [身边的力学]从磁带盒上的斑斓色彩说起——方竞 傅缤
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 15:30:04 2005), 站内

从磁带盒上的斑斓色彩说起

方竞  傅缤


    “快瞧，老爸，我这个磁带盒上的彩色花纹多漂亮！”桌前灯下的小芳摘下耳机，高兴地向刚刚走进屋里的爸爸炫耀她那新买的录音磁带盒。

    “的确好看。”在研究所做力学研究工作的父亲拿着磁带盒，利用灯光观看着从那透明盒子上反射出来的光所产生的花纹。女儿说：“班里的许多同学都从磁带盒上发现过这种漂亮的条纹。我们还互相比较看谁的盒上花纹最好看，而且还议论过好多次，这花纹到底是怎么来的呢？”

    爸爸说：“这个问题提得好！你觉得它们是怎样产生的呢？”女儿认真地说：“我们刚刚在物理课学过光的干涉原理，它们是不是像下雨后地上的油膜那样，由膜的上、下表面反射的光线相互干涉叠加而产生的花纹呢？”

    爸爸微笑地答道：“这盒子上的彩色条纹也可以说是一种干涉条纹。但它们并不是盒盖的两个表面所反射的光线干涉的结果，因为盒盖的厚度（约2毫米）已远远超过了光干涉的相干长度。实际上，这是由光的一种偏振效应产生的，也就是说，光波被一些材料反射后，可以只在某些特定的方位内振动，继而产生干涉。”

    “那究竟是什么东西产生这些漂亮的条纹的呢？”女儿来了兴趣，刨根问底起来。

    “应力——也就是材料内部单位面积上作用的拉力或压力等，是产生这种漂亮条纹的根本原因。”爸爸拉过椅子，给小芳耐心地讲解起来：“这种应力实际上是在加工生产中产生的。磁带盒一般是用聚碳酸酯一类的塑料制成的。在一种注塑机类的加工机械中，先将这些材料高温熔化，注入特定的模腔内，然后快速冷却后即可成型，取出来就是磁带盒了。由于流动的塑料被施加了压力，又因为温度的迅速下降，造成了材料收缩的不均匀性，必然在快速成型的材料中产生残余的应力，并以不同的大小和方向将其作用在磁带盒的不同位置上。这种应力的不均匀分布，使得塑料的光折射率在不同点各不相同。这样，当这些塑料盒被偏振光（即在特定平面内振动的光）照射后，或者由反射光线产生部分偏振光的时候，就可以由不同折射率而产生不同的干涉花纹，形成五颜六色的应力条纹图。”

    “噢，我明白了！”小芳恍然大悟，“这些花纹不是正与那些我曾经在您的实验室里见到的各种模型中的条纹类似吗？”

    “对极了”，父亲高兴地回答。“人们正是利用这些塑料会由于应力作用而产生花纹，制造了各种各样的结构或零件模型，像齿轮、吊钩，甚至水坝、桥梁等等。给它们施加不同的外部力，就会在塑料模型内部产生应力条纹；反过来，根据这些条纹就可以算出不同位置上的应力，从而来检验结构或零件在受力下是否安全，设计出合理的零部件。”

    “真有意思。”小芳说，“爸爸，您一定有不少漂亮的受力模型的条纹图样吧？能给我一张照片吗？这样我也可以向同学们解释它们的原理呀！”

    “这好办，明天我给你带回一张吊钩在受力时的应力条纹图，怎么样？”爸爸说。

    “太棒了，您真是我的好老爸！”

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