书城科普读物新编科技大博览(B卷)——透析万物的物理时空
47963100000019

第19章 光与热(3)

凸凹镜都有很多用处,汽车司机座位两侧车外都各有一面凸面镜,用于观察车后的情况,便于司机及时采取适当措施。

凹面镜有聚光作用,医院五官科医生用的便是常见的一例。

太阳灶也是利用凹面镜聚光的原理来做饭的。

如果把发光的灯泡放在凹面镜前面,则光线都向前射出。

这样,向前的灯光就大大加强了。

手电筒和汽车前灯的灯碗,都起着这样的作用。

如果把发光的灯泡放在凹面镜的焦点上,则它发的光经过镜面反射,会一直向前射出,形成一束射得很远的直线强光。

探照灯向前射出一束直线亮光就利用了这个道理。

漫反射

自行车后部一般都安有一个红色(或橙色)透明塑料制的“尾灯”。

主要作用是为了防止汽车在晚上撞到自行车而安装的。

尾灯里没有灯泡,可是,后方的汽车的灯光一照上尾灯,尾灯就会发出一束返回车辆的光。

尾灯到底是怎么发光的呢?

仔细观察尾灯,会发现里面有一排排尖的小突起,这些突起之间形成直角小坑。每个小坑都有三个面,且相互垂直。这样的直角小坑每面都是一个反射面。

从后方任意方向射来的光线经过小坑的两个面或三个面的反射,按照反射定律,都会逆着原来的方向射回去。

这种直角反射镜还用来测量距离。

有一种激光测距仪,从发射地点发出一束激光,在目标处就放一个这种直角反射镜,它把射来的激光逆着原路反射回发射地点。

只要测出从发射到接收所用的时间,再根据光的传播速度就可以算出发射点到目标的距离了。

1999年,阿波罗11号宇宙飞船首次登月时,就在月球上放置了这样一个直角反射镜,它由100个融熔石英直角锥整齐排列组成,从而形成了由许多直角反射镜组成的阵列。

用它测出的月地之间的距离为353911215米,精确到误差只有10米。

反射并不只是镜面才能反射,任何物体表面,在光的照射下,都能或强或弱地反射。

这种反射的特点是方向不定,因为一般的物体表面都比较粗糙,可以看成是许许多多微小的面组成的,而且各个微小面的方向各不相同,杂乱无章。这样,各个微小的面按反射定律反射光,反射光的方向也各不相同,这样的反射叫漫反射。

光的传播

光的传播有一定规律,掌握这一规律,便可以使它为人类服务。

光能在其中传播的透明物质,例如空气、玻璃等,都叫做传播光的媒质。

光在均匀的媒质中沿直线传播。不同的媒质,光的传播就会发生变化。

在玻璃杯中灌上水,再加入几滴牛奶,使水成为略带混浊的白色液体。然后用手电筒斜着照射水面,会发现光线进入水中以后也是沿直线传播的。

但是,在经过水和空气的分界面时,光的传播方向改变了。这种现象叫光的折射。

进入水中传播的那条光线叫折射线。折射线和法线的夹角叫折射角。

光从空气射入水中时,折射角总小于入射角。

如果由水中进入空气中,折射角就大于入射角。

下面来介绍一下折射定律的数学表示。

以界面上光线的入射点为圆心,画一个圆圈。从入射线和圆的交点画一条法线的垂线,叫入射垂线,从折射线和圆的交点画一条法线的垂线,便得到折射垂线。

无论入射线方向如何变化,每一次入射垂线和折射垂线的长度的比值总是不变的。

光线从空气(指真空)射入一种媒质时,入射垂线长度和折射垂线的长度之比叫做这种媒质的折射率。

水的折射率为1.33,玻璃的为1.5。

折射率越大,光线由空气进入这种媒质时,方向的偏折也越厉害。

透镜原理

透镜是用玻璃做成的,有的中间厚边缘薄,叫凸透镜;有的中间薄边缘厚,叫凹透镜。

照相机、幻灯、投影机、放映机、望远镜、放大镜、显微镜等等,全都有透镜在里面。

垂直于凸透镜镜面而通过其中心的直线,叫凸透镜的光轴。

凸透镜把平行于主轴入射的光汇聚到一点,这一点叫焦点。

焦点到透镜的距离叫焦距。焦距越短的凸透镜,它的折光本领或汇聚光的本领也越强。

光线沿着凹透镜的主轴射来,通过凹透镜以后会发散开来。这些散开的光好像都是从光线射入那一侧的一个发光点发出来的一样,这一点叫着凹透镜的虚焦点。是发散光线的反向延长线的交点。

凸透镜汇聚光,凹透镜发散光。

它们成像有什么规律呢?

在凸透镜的主轴上离凸透镜一定距离的地方放一个物体,如蜡烛;在凸透镜的另一侧,也在轴上垂直于轴放一个白色的纸屏。

来回慢慢地移动纸屏或蜡烛的远近位置。在某一位置时,可以看见纸屏上显示出蜡烛的清晰的像。

移动纸屏,只是在适当的位置才能在纸上看到烛焰清晰的像。这说明烛焰各点发的光并不是在任意处会聚的。

实际上这决定于烛焰放在什么地方。改变烛焰的位置时,需要同时改变纸屏的位置,才能在纸屏上看到烛焰的清晰的像。

这样,我们得出:当物体离凸透镜较远时,纸屏要放在凸透镜另一侧靠近它的焦点处,才能在屏上看到清晰的像。

不过,这时的像是倒立的,比原物体要小一些。

把物体逐渐移向凸透镜时,要想总在纸屏上看到清晰的像,需要把纸屏向远离凸透镜的方向移,好像物体把它的像向远处推似的,不过像移动得比物体移动得慢。

物体从很远处移动到“2F”点(即距凸透镜中心为两倍焦距那一点)时,像只在对侧从焦点处移到对侧的“2F”点处。

像总是比物体小,也总是倒立的。当物体和像分别在凸透镜两侧的“2F”点上时,像和物一样大,也是倒立的。

当把物体进一步移近凸透镜时,另一侧形成的像被继续向远离凸透镜的方向推。物体从“2F”点移到焦点时,像被从对侧“2F”点一直推到很远处。

在这过程中,像总比物体大,而且物体离焦点越近,像也变得越大,不过像总还是倒立的。

这种由实际光线汇聚形成的像叫实像。

如果眼睛放在凸透镜的另一侧向凸透镜内看去,即接受透过凸透镜的光线,则可以看到凸透镜的光线好像是从物体所在一侧的一个较大的物体发出的一样。

这里的像并不是以光线的实际交点,而是透射光的反向延长线的交点,因此是虚像。

凸透镜的这种用法,就是放大镜的原理。

照相机的镜头就是凸透镜。幻灯片也是凸透镜。

光波

光是粒子。

根据光沿直线前进和反射定律来判断,光的确像是粒子。

一束光就是一束粒子流。

光又是一种电磁波,本质上和无线电波是一类东西,它们的区别在于光波的波长短得多,频率高。

它的波长范围从0.4微米到0.77微米,频率范围是765×1014赫到4×1014赫。

这个范围内的电磁波能使动物视网膜感受刺激,产生视觉。

因此,按习惯把这一范围的电磁波叫做光波,或简称光。

白光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等有颜色的光组成的。

其实,颜色是不断改变的,不能说只有“七”种色光。

不同的色光其差别在于光波的频率或波长的不同。从红到紫频率逐渐增大,红光的频率最小。按波长说,就是从红到紫波长逐渐减小,红光波最长。

各种频率不同的光经过人的视神经和大脑的“识别”,产生不同种颜色。

任何物体,根据它本身分子原子结构的不同,对不同频率的光有不同的吸收能力。红花对射到它上面的除红光以外的其他色光有强烈的吸收能力。在白光的照射下,其他的色光都吸收了,只有红光被反射,人眼接受了这种反射光,所以花就显示出红色。

能吸收各种频率的物体不能反射任何光,就成了黑色。什么频率的光都能反射的物体,在白光照射下就显示为白色。

三原色

对人眼的视觉研究说明,自然界有三种基本的颜色,即红、绿、蓝,它们叫“三原色”。

不同频率的光射入眼内,人的视觉会感到不同的彩色。但是三原色按不同比例混合起来,射入眼内,人的视觉同样也会感到不同的彩色。

只有红光射入时,人眼感觉到的当然是红色。但等量的红光和蓝光射入,人眼会感到是紫色;等量的红光和绿光射入,人眼会感到是黄色。

红,绿和蓝3种色光混合在一起就形成了白色光“三原色”是指光的颜色本身,并非颜料的颜色。三原色的不同比例的混合使人感到各种彩色是和不同颜料混合时产生各种彩色的实质不同的。

彩色电视机的彩色就是通过红绿蓝三原色的不同的比例混合而产生的,图像是由彩色电视台发射出来的。

彩色图像的信号发射、传播、接收的基本原理与黑白电视的原理相同。

由于彩色需要三种原色配制,所以可以说,彩色电视机是三台并行的电视组合成的。

彩色相片又是怎么一回事呢?

照彩色像时所用的相机和照黑白像时用的相机没有差别,其奥秘在彩色胶卷上。

普通胶卷只有一层感光膜,它对光的颜色没有辨别力,只根据光的强弱发生变化,因而感光后只显出各处黑白的不同。

相纸表面也一样只有一层感光膜,仅能显示黑白程度。

彩色胶卷根据三原色的原理,在基片上涂有三层感光物质,分别对三种颜色的光起反应。

这样在胶片曝光后,就会在片上保留和三种原色相当的三套影像。彩色相纸也涂有三层感光物质。

当把彩色底片盖上而用白光照射时,底片上三色光形成的像就分别允许这三色光通过,使相纸上的三层感光物质分别曝光,再经显影、定影就成了一幅彩色的相片了。

光的衍射

光在两种媒质界面上会反射和折射,都改变了传播方向,可以说是一种拐弯。

光沿着弯曲的光导纤维传播,也在不断拐弯。

但是,这些拐弯都是借助于媒质的不均匀而实现的。

光能不能自动拐弯呢?

光的衍射告诉我们,光能绕过障碍物而进入原来是影子的区域里传播。

光的衍射又一次证实了光是一种波动。

晚上站在离路灯稍远的地方去看那盏路灯,当你睁大眼睛看时,看到路灯好像是一个发光点,周围看不到光线。可是当你眯缝着眼着时,不但看到发光点,而且能看到从发光点向上和向下发出的“光芒”。

这“光芒”就是光传播时自动拐弯的证据。

原来,当你眯缝着眼时,灯光是通过你眼睛的瞳孔所留的水平细缝进入眼中的。

光芒进入眼后,照直前进的部分和你睁大眼睛时一样,在视网膜上形成灯的像。因为路灯较远,它在视网膜上成的像较小,你的感觉就是发光点。

此外,进入眼内的光线还要向上或向下方传播,这些光在视网膜上也生成灯的像。

这像就成在中间那个发光点的上下,越弯的光线成的像离那中间的发光点越远。由于越弯的光线越弱,它所成的像的亮度也就越小。

这样,这些弯曲的光线就在视网膜上那中间的亮的发光点的上下生成了一连串的,一个挨一个的灯的像。

这就是所感觉到路灯向上和向下发出的光芒。

所以说,你所“看到”的路灯的光芒里光线进入眼睛后由于衍射给你的印象,并不是灯发出的向上向下的光线。

睁大了眼睛,为什么就看不到这种“光芒”了呢?

因为波的衍射有一个普遍的规律:衍射的明显与否是与孔(或障碍物)的大小有关系的。

睁大眼睛时,全部瞳孔都打开了。透光孔比眯缝着眼时大多了,衍射现象就不显著,视网膜上那上上下下的灯的像就都没有了。

因此,你也就不会有光芒的感觉了。

小孔成像中的那个小孔直径比光的波长大得多了,所以光可以按直线前进通过小孔而生成景物的倒像。

由于衍射,一个发光点发的光透过小孔后都放大了,而且放大了的圆斑周围还出现了逐渐减弱的几个光圈。

用显微镜观察物体的细微部分时,物体上相距很近的两点发的光所成的像都会因衍射而变成亮的圆盘。

物体上那两点太近时,它们生成的圆盘会重叠起来看不出是两点了。

在这种情况下,放大倍数再大也只是把重叠的像放大,还是不能分辨出是两个点的像。

这就到了显微镜“显微”的极限,用光学显微镜只能清楚地放大到最大1400倍,就是受了光的衍射的限制。

立体电影的原理

立体电影为什么能使你产生立体感觉呢?

在日常生活中,人看东西有立体感,那是人有两只眼睛的缘故。

两只眼睛相隔6~7厘米的距离,面前的物体在两只眼睛的视网膜上分别成的像略有差别。

一只眼睛是辨别不出远近距离的,你闭上一只眼睛,用另一只眼睛看物体,就很难判断物体的确切位置。

普通的照片,看起来觉得是立体形象。这是人从经验中得知的,同一个物体,在远处时看起来小,移近时看起来大的缘故。这是大脑对相片上物体的大小对比经“理解”后产生的印象,不是真正的立体视觉。

要想从相片上得到真正的立体感,就需要拍摄立体照片。

这就需要用两个照相机,使它们的镜头中心的距离和两眼间的距离相等。这两台照相机同时拍照,就会拍到两张略有差异的照片,就和两眼内视网膜上成的两幅略有差别的像是一样。

观察时将左右两张照片并排放置,再通过左右两个镜筒分别用左眼看左照片,右眼看右照片。

这样人就会产生真正的立体感。这种看照片的装置叫实体镜。

立体电影便是根据这一原理制造出来的。

光电效应

去一些大商场,当你走进大门时,门就会自动打开;当你进门以后,它又自动关闭了。

为什么呢?

因为使用了电光管。

电光管是一个抽成真空的玻璃泡。泡中央支有一个金属圈和外边相连,是光电管的阳极。在玻璃泡后壁上涂有一层光敏金属,是光电管的阴极,也有导线通到外边。

管的前壁是透明的,当光射到阴极表面的时候,能从光敏金属表面释放出电子。这电子受电源所加电场力的作用飞向阳极,流出光电管形成电流。