书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第19章 光在生活中的作用(1)

一、如何在日食时观看树叶的阴影

如果在日食时观看树叶的阴影,便会看到投影在地面上的许多日食时太阳的像。这些像都是由树叶间的微小孔隙构成的针孔所成的像。它们在白天总是存在的。不过,通常淹没在眩目的亮光之中。在日食时,这种眩目的亮光就减少了。因此发生日食时易观察到太阳被蚀的像。

二、五像照片的形成

有一种摄影术,可以在一张照片上拍摄出一个人的几种不同的面相。它比普通照片的优点在于能把照片里的人的特点更加完全地表现出来,从而使人选择一种更能表现出特点的面相来。

这样的照片是怎样拍的呢?这得借助于平面镜来帮忙了。让照相的人背朝着照相机A,面朝着两面直立的平面镜CC坐着,两面镜子所成的角度是72°。这样在两面镜子里应该反射出四个人像,它们各用一种姿势向着照相机,连相机拍摄的实像,便得到了一帧五像照片。所用的平面镜应该没有镜框,以免镜子照进相片里,另外,为了在镜子里不映出照相机,必须在相机前面放置两张幕BB,幕的中间开个小缝,放置镜头。

照出像的数目要看两面镜子所呈的角度。角度越小,成的像就越多。呈90°时,可以得到4个像;呈60°时,可以得到6个像,呈45°时,可以得到8个像……不过反射的次数越多,像就越暗淡,所以一般都限于拍摄五个像。

三、动物保护自己的防御功能

隐身帽和隐身法尽管不存在,但是把物体涂上适当的颜色,使自己隐蔽起来不易被发现,这种隐身法还是可以实现的。优胜劣汰是自然界生物存亡的根本法则,为了求得生存和兴旺,生物首先要适应外界环境,使自己披上了形形色色的伪装,这就是所谓的“保护色”或“掩护色”,这样的例子是举不胜举的。沙漠里的动物,大多披上了具有沙漠特征的微黄的“沙漠色”,比如那里的狮子、鸟类、蜥蜴、各种昆虫等等。在北方雪地上的一切动物,如凶猛的北极熊,轻盈的海燕,都染上了一层白色,它和皑皑白雪融为一体,不易被发现。还有生活在树枝上的蝶蛾、毛虫、变色龙等,颜色都非常接近树皮的颜色。

你如果想要捕捉一只在草地上的蚱蜢是很困难的,因为它淹没在绿色的背景里,使你分不清它隐藏在哪里。

海洋里的各种动植物也都有很好的保护色。在褐色藻类里生活的海生动物,都有“保护性”的褐色。生长在红色藻类水域里的动物,主要的保护色是红色。银色的鱼鳞也同样具有保护性;从水面上方往下看像面镜子,它保护鱼类免遭在空中搜寻它们的猛禽的伤害;从深水处往水面看更像面镜子(全反射),这样便使银色的鱼鳞同发亮的银色的背景融为一体了。再如水母和水里的其他透明动物,如虾类、软体动物等,它们的保护色完全是无色和透明的。

还有些生物适应周围环境颜色的本领更为高明,能按照环境条件的变更来变换保护的色调。如在雪地里身披白色毛皮外衣的银鼠,如果不随雪的融化而改变自己毛皮的颜色,那就失去了保护的作用。因此在春天,这种白色的小动物会换上一身红褐色的新外装,使自己的颜色跟那新从雪里裸露出来的土壤的颜色一致。当冬天再次来临时,它们又银装素裹了。

四、隐身的目的

动物顺乎自然的本领,千奇百怪,形形色色,其变换的高超、造型的微妙,令人赞美叫绝。人们从自然界那里学会了这种有用的艺术,把自己伪装起来,以达“隐身”之目的。比如野战军战士穿的五彩斑斓的军装,灰色钢甲的舰船,运送辎重的列车、大炮、坦克、防御工事,乃至兵营往往用特制的网罩着,网眼里还要编上一簇簇的草状物,以示掩护。

各种军用飞机,为了不易从地面和空中被发现,要分别涂上褐色、暗绿色、银色和紫色等颜料。如飞机的底部,为了迷惑地面上监视者的视线,得涂成跟天空一致的浅蓝色、浅玫瑰色和白色。用这种颜色在飞机的表面上涂成许多小斑点。在740米的高空,这些颜色会同那不显眼的一般背景融为一体,行使在高空的飞机就不易被监视者发现了。夜晚执行任务的飞机一般涂成黑色。

由此看来,古代神秘传说中的隐身术,已分别在不同方面得到了广泛的应用。

五、潜望镜的作用

公元前2世纪,我国古籍《淮南子》中有这样一段记载:“取大镜高悬,置水盆于其下,则见四邻矣。”这句话的意思是说,把一面大镜子悬挂在高处,另拿一盆水放在院里,和镜子相对,再移动水盆的位置,就可以从水盆中看到院外四邻的动静。这个记载生动地反映了光的反射定律的应用。这和人们照镜子能看到自己的像同属于光的反射现象。即从四邻射来的光线先射到大镜子上,经过反射,部分光线到达水面,再从水面反射到观察者的眼睛里,于是就可以隔着院墙看到院外的部分情景。移动水盆,还可以看到院外的其他情景,这确实是一个十分巧妙的装置,也可以说是世界上最早的潜望镜。它比19世纪末才在西欧出现的潜望镜要早2000多年。

潜望镜的构造很简单:在一只有两处拐弯的管子里,上、下拐弯处各装一块平面镜,它们互相平行,且和水平方向呈45°角。这样,从管子上方射入的光线经过两次反射,就从管子下方射出。潜望镜在军事上大有作为,它可以在战壕(或潜水艇及其他掩体)里窥视敌人的行动。

六、凹凸镜的反射原理

相传有一则古代物理学家和爱国主义者阿基米德大破罗马战船的故事。公元前215~前212年间,罗马人大举入侵希腊,派出一支装备着精兵的船队,准备攻打阿基米德的家乡叙拉古城。面对来势汹汹的强敌,阿基米德向国王献出破敌守城的妙计。他叫守城人列队排在海岸边,每人各执一面“魔镜”,把阳光向罗马战船反射过去。不一会儿,船队燃起了熊熊大火,船毁人亡,使罗马人打了一场莫名其妙的败仗。其实,所谓的“魔镜”,实为现在的凹面镜是也。“魔镜”把反射的阳光会聚在一起,由此而产生的高温把战船烧毁了。

我国古代,也有可以用来取火的“魔镜”,叫做阳燧。《淮南子》中就有《阳燧取火于日》的记载。王充在《论衡》中也写道:“验日阳遂(燧),火从天来。”就是把阳燧(凹面镜)对着太阳,天上的火就被引下来了。

凹面镜是反射面向里凹的一种球面镜,光在球面镜反射的时候,也遵守反射定律,凹面镜能“取火于日”现在被广泛地用来制作太阳灶和太阳炉,成为开发利用太阳能的重要工具之一。有一种伞形太阳灶,直径约1米多,用涂铝的涤纶薄膜做反射镜。这种太阳灶既软又轻,可以随身携带,作为炊事用具十分方便。太阳炉可以获得更高的温度,供给汽轮机以蒸汽,或者熔化难熔的物质。

日前世界上最大的太阳炉,建在法国比利牛斯山的东部。它的凹面镜有9层楼房那么高,由9000块反射镜片排列组成,表面积是2500平方米,聚焦温度高达4000℃。这座太阳炉是专门进行高温物理化学试验材料加工,制造超纯物质和耐高温材料的。

光线传播具有可逆性,假若把光源放在凹面镜的焦点上,从光源发出的光线被镜面反射以后,就变成彼此平行的光线射向远方。根据光的这种可逆性质,人们制造了手电筒、照明灯和探照灯等灯具。它们的灯泡都处在凹面镜的焦点上,能发射出平行光束。比如现代大型探照灯发出的强平行光,可以照亮十几千米以外的物体。

七、柱虹是怎么回事?

有时,当在水面的上空出现彩虹时,会在虹的底部呈现极为罕见的光柱,因为和虹相伴随,便称之为柱虹。柱虹是反射虹的一部分。正常的虹是由直接的太阳光形成的,而从水面反射的光可以在天空中形成另一条彩虹。虽然这种反射虹所需要的几何条件与正常虹相同,但是它在天空中的方位,由于反射的缘故与正常虹不同。如果整条反射虹都能被看到的话,那么这条虹的中心应位于天空中更高的地方,因此我们能看到的只是在地平线附近的一段而已。这段反射虹与地面的夹角,比一段正常虹与地面的夹角要大。同时太阳光在水面反射时要损失一些,因而反射虹比正常虹弱而少见。

八、反射虹与柱虹的区别

如果你有幸看到一条彩虹和它在水中的反射虹,那么你就会注意到它们的形状和位置是有差异的。比如,要是天上有云,你可以看到如图8—1中所示的类似现象。为什么云相对于彩虹的位置有如此的差异呢?

这里看到的反射虹和上面的柱虹不同,尽管都有反射现象。在这里,反射虹不过是正常虹的镜像。由于所看到的反射虹的弯曲程度比正常虹的弯曲程度来得小,所以反射虹看来比较平些。外表上的差异是由于散射角不同而产生的,如果从水滴射出的光线经水面反射后对形成虹有贡献的话。满足这种角度的水滴位于天空中的仰角,比直接产生虹的水滴在天空中的仰角低。

九、形状奇怪的露虹

在露水覆盖的草地上有时也能看到彩虹,这种虹叫做露虹。类似的虹也能在浮有油层的池塘上或路灯下面的街道上出现。正常的露虹是由草地上的水滴所产生的。从连接太阳和观察者眼睛的轴线量起,露虹位于大约42°的位置上,如果地面上没有妨碍视场中悬浮的水滴的障碍物,那么就可以看到视线以下的这部分虹。由于水滴被限制在一个水平面内,而不是充满观察者前方的整个空间,因此呈现的形状是双曲线形的。

在正常的露虹中,入射光基本上是从太阳射来的平行光线。路灯发出的是发散光线,尽管42°角仍然是形成虹的基本条件,但是由于起作用的入射光线分散在一定范围内,因此对形成虹有贡献的水滴的位置就构成图上所示的奇怪的形状。

十、日柱的形成

在接近日落前或在日出后,经常可以看到位于太阳上方或下方的日柱。日柱可以是白色、淡黄色、橙黄色或粉红色,因此相当漂亮。日柱是由于下降的六角形冰晶的外表面的反射作用,形成了在太阳上方或下方的日柱。水晶沿中心轴的长度如果比它们的宽度短,叫做片状冰晶;如果沿中心轴的长度比它们的宽度长,叫做针状冰晶或铅笔冰晶。这两种冰晶都能产生日柱。

例如,对于片状冰晶,冰晶周围的气流迫使冰晶沿水平方向,使它们的空气阻力增到最大。如果在观察者的视野中冰晶比太阳高,则阳光便从片状冰晶的底面反射,从而使观察者看到太阳上方的部分天空中产生一个较亮的区域,形成太阳上方的日柱。如果在观察者的视野中片状冰晶比太阳低,则反射就在冰晶的顶面发生,于是便产生太阳下方的日柱。

十一、白云和黑云的形成过程

天空中的云大多呈白色,却不呈现天空的蓝色。这是因为云中的水滴通常比较大,而且仅仅从它们的外侧表面反射太阳光。由于这种反射不产生色散,因而反射光依然呈白色。而有雨的云,是大量水滴集结的浓密的云,对于这种云射入的阳光不是被水吸收了就是向上反射了,故能透过这种云的阳光很少,因此云呈黑色。

“黑暗”

月亮的“黑暗”部分是指月亮在直射太阳光的阴影中的部分,这个黑暗区域当太阳刚落山和月亮以一弯新月出现的时候我们有可能看到它,是由于大地光照明的结果,大地光是地球大气和地面反射的太阳光。

十二、潜水员在水中用什么看东西

潜水员如果不戴面具是无法在水下工作的。不过,他们的面具是平面玻璃,不是其他形状的玻璃。戴着这种面具在水下工作,眼睛和水之间就隔着一层玻璃和空气,这样就使情况发生了根本的变化。从水里透过玻璃的光线,先是通过空气而后进入眼睛的。从水进入玻璃和空气后,无论方向如何,根据光线平移原理,光的传播方向并不改变。然后,光线再从空气进入眼睛的过程中,眼睛所起的作用,同在陆地上是完全一样的。这就是潜水员戴面具所起作用的关键所在。我们可以十分清楚地看见玻璃鱼缸里的金鱼,就极好地说明了这个道理。你不妨认真地观察并仔细思考一下。

十三、透镜在水下的作用

双凸透镜可以做成放大镜,这是很多人都知道的事。请你把这样一只放大镜浸在水里,再隔着它看水里的物体,却奇怪地发现它几乎不起放大作用了。同样你也可以把一只具有缩小作用的双凹透镜放在水里,也发现它几乎丧失了缩小的本领。如果你用来实验的不是水,而是一种折射率比玻璃大的液体,那么双凸透镜反而起缩小作用,而双凹透镜却有放大的能力。这究竟是什么原因呢?

其实,按照光学道理也是好说明的。双凸透镜在空气里能够放大,是因为玻璃的折射率比周围空气的折射率大。由于玻璃和水的折射率相差不多,因此把玻璃透镜放进水里,光线从水里进入玻璃的时候,就不会偏折得很厉害,当然其放大能力也就比在空气里小得多了。同理,双凹透镜的缩小能力也同样要小得多。液体的折射率越大,上述作用越明显。

前面说过,潜水员可戴平面玻璃面罩,还可戴一种空心透镜。所谓空心透镜实际上就是空气透镜,是在玻璃内充以空气做成的。把空心透镜放在水里,由于水的折射率大于空气的折射率,这相当于把玻璃放进折射率比它大的液体里,因此凹透镜会放大,凸透镜会缩小。图8—3所示的空心平凹透镜表示,光线MN折射后,就沿着MNOP传播,在透镜里它远离法线,在透镜外面,它向法线OR靠拢,因此这种透镜有会聚作用。

十四、星星的闪烁是怎么回事?

天空中的繁星经常在闪烁,好像在向人们不断地眨巴眼睛,既逗人又迷人。星的闪烁是由于空气的湍动引起的,而湍动归根结底是由大气中的温度不规则分布而造成的。小湍流胞(直径为数厘米或再大些)不断地出现,从而使穿过它的星光发生折射,先折向一个方向,而后又折向另一个方向。这种小闪烁对于小星的像是很明显的,然而对于月亮和行星较大的像就不明显了。