书城科普读物新编科技大博览(B卷)——透析万物的物理时空
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第18章 光与热(2)

从17日下午14时20分延续到19时左右。从蓬莱阁向北望去,在长达100多里的辽阔海面上出现了种种奇观,忽而是多孔桥般的奇景,忽而显现出从未见过的岛屿。其间有清晰的高楼大厦,周围有冒烟的烟囱。在波涛万顷的海面上展现出一幅多姿多彩的画卷。无数游人涌向海边竞相观看。

我国古代早就注意到海市蜃楼了。宋代诗人苏轼在《登州海市》中云:“东方云海空复空,群仙出没空明中,荡摇浮世生万象,岂有贝阙藏珠宫。”苏东坡认为海市蜃楼是幻景。

蜃为何物,蛟龙或大蛤蜊。古人曾误认为海市蜃楼是蜃吐气而成的。

实际上,海市蜃楼是大气中的光现象,与蜃没有任何关系。通常,地面附近的空气是较均匀的,光在其中沿直线传播。但地面上空气的密度随温度的升高而减小,对光的折射率也随之藏小,因而会发生折射,甚至全反射现象。

夏天,海面附近空气的温度比空中的低,空气的折射率下层比上层的大。从远处的山峰、船舶、楼阁等反射出的光线射向空中时,不断地发生折射,进入温度较高的在海市蜃楼中,天空和远山的反射给人以错觉,好像岛屿在湖里一样上层气层的入射角不断增大。当光线的入射角大于临界角时,还要发生全反射现象。这些光线进入观察者眼中,就会在这些光线的反向延长线处看到这些景物的虚像,这就是蜃景。

蜃景不仅在海上能看到,在沙漠地带、青山之间、柏油路上,也能看到。所以当你看到蜃景时不要大惊小怪,用你掌握的光的全反射原理就可以解释清楚了。

洞察世界的能手——透镜

人类感知的信息,绝大部分是由光传来的。然而,肉眼的观察能力毕竟有限,为了更好洞察世界,就要借助各种光学仪器。

眼镜是这个家族的始祖,它是意大利人阿玛蒂在1299年发明的。在它问世300年后,才产生了望远镜和显微镜。

世界上第一架望远镜是无意中发明的。据说,荷兰眼镜商放大镜是一种凸透镜人里帕席有个学徒。一天,他趁师傅不在的时候,拿了两块透镜,一前一后放在眼前玩耍。忽然,他发现远处教堂上的风标变得又近又大了。里帕席知道后,把两片透镜装进一只金属筒,制成了望远镜。

1609年,伽利略知道了这个消息,也制造了一架望远镜,第一个用来观察天体。望远镜的出现,使天文学得以飞速发展。

不久,人们又发明了光学显微镜,打开了微生物世界的大门。生物学家利用它发现了细胞和微生物,使生物学进入了新阶级。

望远镜、显微镜都是由不同的透镜组合而成的。透镜一般是用玻璃片制成的,它的两个面都是弯曲的。中间厚、边缘薄的叫凸透镜,又叫放大镜;中间薄、边缘厚的叫凹透镜。

任何一种透明物质,包括空气,都能制成透镜。

先看凸透镜。它最大的特性是能把光聚集起来,所以又叫聚透镜。

盛水的球形玻璃瓶能取火。如果在阳光下把一个盛水的透明花瓶的聚焦点对准一张纸,纸很快会燃烧。根据这个原理,还可以制成日照计,来记录日照时间。

光线是怎样通过透镜的呢?原来,一条条光线通过透镜以后逐渐靠拢集中在一点,而在通过这一点之后又逐渐分散开。

平行光线的集中点就是凸透镜的焦点,焦点到透镜中心的距离叫焦距。

显微镜是透镜中的佼佼者。

显微镜的种类很多,构造也很复杂。但是,只要有一枚放大镜和一滴水,就可以了解显微镜的基本原理。

在使用放大镜时,被观察的物体应该距离透镜很近,也就是说,物体应该放在透镜和它的焦点之间。

放大镜的放大倍数和它的焦距有密切关系:焦距越短,放大倍数越大。焦距短,镜面的凸度就必须大。既然透镜的凸度越大,放大倍数越大,是不是可以任意增加凸度呢?不行。如果你仔细观察就会发现,凸度很大的水滴,虽然放大倍数大,但存在着三个缺点:①观察到的像大大走了样;②凸度越大,“透镜”就越要靠近被观察的东西,实际上不容易做得到;③凸度越大,能看清楚的范围就越小,被观察的物体,只有中间一小块能够看得很清楚,外边的都很模糊。

所以,只靠增加凸度是不行的。17世纪初,荷兰的一位眼镜制造工人发现,把两块放大镜按一定距离排列在一起,比一块放大镜的放大率要大好多倍。这就是世界上第一台显微镜。以后,经过科学家的努力,人们终于有了能把物体放大几百倍和几千倍的光学显微镜。

显微镜中最基本的构件有两个:一个是靠近被观察物体的那面凸透镜;另一个是靠近观察者眼睛的那面凸透镜,叫做目镜。

直来直去的光线

我们的眼睛能看见周围各种各样,形形色色的东西,就是光在起作用。同样的东西,没有光从物体上射出来,就不会进入我们的眼睛,如黑夜里的道路、树木、楼房等。

光是我们认识自然必不可少的媒介。有了它,我们才能分辨大小、形状、远近。

激光发明后,被广泛用于科技生产。可以说,我们一刻也离不开光。

在自然界,太阳、恒星能发光。生活中,火柴、蜡烛、电灯、激光器能发光。这种发光的物体,叫做光源。

光是由光源迅速向外传播的,而且直来直去。

夏天下雷阵雨的时候,我们总是先看见闪电,后听见雷声。这证明,光的传播速度比声音的传播速度快得多。

光的传播速度有多快呢?许多科学家们的测定都失败了。

直到17世纪,实验才取得实质性进展。

1675年,丹麦的天文学家罗默指出,根据木星的卫星运转周期的观测数据,可以推算出光经过地球绕日运动的轨道半径所需要的时间,从而可以算出光速。人们根据当时的数据,算出的光速值大约是每秒20万千米。

后来法国物理学家斐索研究出测量极短时间的方法。他于1849年在地面上不太长的距离内用实验的方法测出了光速,为每秒31.3万千米。法国物理学家傅科改进了实验方法,在1851年测得光速为每秒29.8万千米。

这以后,美国物理学家迈克尔逊在1879~1926年的近50年时间里,多次测量光速,终于得出了每秒30万千米的精确值。

目前,在真空中还没有任何物体的运动速度能超过光速。

只要1秒钟,光就可从北京到上海往返100次以上。光速差不多是声音在空气中传播速度的90万倍。

虽然光的直线传播如此迅速,但当人类开始向宇宙空间进军的时候,人们还是感到它的速度太慢了。

在宇宙中,除了太阳以外,距我们最近的恒星是半人马星座中的比邻星。它发出的光要经过4.3年才能到达地球。现代的天文望远镜看到的遥远恒星,它的光要经过几十亿年才能到达地球。也就是说,我们看到的光线是它在几十亿年以前发出来的。

光的直线传播能产生许多有趣的现象。小孔成像就是一个例子。

找一个不透光的罐头盒,去掉上盖,在它的底部穿一个小孔,在盒的开口端放一块毛玻璃或半透明纸,把小孔对着窗外的景物,在毛玻璃或半透明纸上就会出现窗外的景像。奇妙的现象出现了:毛玻璃或半透明纸上的景物都是倒立的,而且孔越小,成像越清晰;孔越大,景物越模糊。这是什么原因呢?

原来孔口大,穿过孔的光束变粗,形成较大光斑,景物模糊。

反之效果恰好相反。

根据小孔成像原理,可以制成“针孔照相机。”

影也是光的直线传播产生的一种有趣现象。有人能用手做出各种手影,如小兔、鸽、狐狸等小动物,生动有趣,儿童非常喜欢。

光源发出的光,照到不透明的物体上时,在物体后面形成一个光线照不到的黑暗区域,这就是物体的影。

如果光源的发光面比较大,它的每个发光点都在物体后方形成一个影区,这些影区的共同重叠部分,是完全受不到光照射的黑暗区域叫做本影。光源的发光面越大,本影越小。

为了清除黑暗的本影,得到均匀的照明,通常都采用发光面大的光源。

例如,医院外科手术室里用的手术灯,就是由多个发光面很大的光源组成的。它不会使医生的身体或医疗器械在手术时产生黑暗的本影,因此这种灯又叫无影灯。再如,教室里安装多盏日光灯,也是为了增大发光面,减小本影,使照明度均匀。

影子是从哪里来的

影子是我们生活中再熟悉不过的朋友,它常常像一个或大或小的尾巴,紧紧地追随着我们。

它到底是从哪里来的呢?

一切不透明的物体在太阳光下都会投下一个影子光是沿着直线传播的,当遇到不透明的物体时,光线被挡住了,这时,它也绝不会从物体旁边绕到后面去,因此,物体背光的一面没有光线,形成了黑暗的一片。这一块地方就是影子。

影子的形状和大小不是固定不变的,它会随着光源的位置不断变化。在灯光下,离灯越远,影子越小;离灯越近,影子越大。

不同的光源还会形成不同的影子。

我国精彩的皮影戏,利用的就是影子的原理。

光的反射

人眼不能发出光线,只能接收来自物体的光线。人类所以能看见五光十色的世界,大都起因于光的反射。

我们周围的物体,不论是透明的还是不透明的,都或多或少地要反射投到它们上面的光。由于物体表面光滑平整的程度不一样,反射光束时的情况也大不相同。比如在暗室的桌子上竖一面镜子,再在镜子上面挂一张白纸,用一支手电筒对镜子照射,可以看到在手电筒光的反射下,白纸被完全照亮,而镜子却显得很暗。

按理说,镜子反射光的本领比白纸大得多,为什么白纸反比镜子亮呢?原来,纸的表面布满微小的坑坑洼洼,来自外界的光射到这种表面上,就被凹凸不平的表面反射到四面八方,形成所谓的漫反射。科学家发现,人之所以能看见世间万物,辨别它们的大小和形状,都要归功于漫反射。而镜子由于表面非常光洁,光束照到上面,不会向四面八方反射,只能沿着某个确定的方向反射,人们把它叫做镜面反射。当我们拿手电筒照镜子时,由于镜面反射的光集中在一个方向,没有进入观察者的眼睛,因此看起来很暗;而白纸能向各个方向反射手电筒投上去的光,其中一部分进入我们的眼睛,使我们感到白纸要比镜面亮得多。当然,如果我们站在某一个方向对着镜子观察,由于镜面反射的光比白纸反射的光强烈得多,镜子看上去就比白纸亮得多了。

光的反射给我们造就了一个多姿多彩的自然界,使人造卫星能在遥远太空感知地面上的矿藏和森林,估计农作物产量。但在另一些场合,人们又希望尽量减少反射。例如,为了让更多的光进入照相机镜头使底片感光,必须尽量减少光在镜头表面的反射。

神奇的望远镜

望远镜是由物镜(组)和目镜(组)组成的观察远处物体的共轴光学系统。按其结构可分为折射望远镜和反射望远镜。前者物镜用透镜,后者物镜用球面镜。各类望远镜共同特点是物镜第二焦点与目镜第一焦点重合,放大率M=f′0fe′。当目镜Le为会聚透镜时,fe′>0,M<0,像是放大,倒立的。此望远镜称为开普勒望远镜,又称天文望远镜。

当Le为发散透镜时,fe′<0,M>0,像为正立的。此系统称之为伽利略望远镜,又称陆地望远镜。望远镜在天文、军事等方面有着广泛的应用。根据其用途的不同,各种改进型望远镜还有:备有陀螺仪、常用于直升飞机上的稳像望远镜;装有话筒、耳机、微波电子机可以通话的通讯望远镜;能在漆黑的夜里发现远处目标的红外望远镜;可将月光和星光放大几万倍的微光望远镜;不论白天、夜晚、大雾、下雪或在树林中都能看清目标的热像望远镜……。

反射定律

一束光射到镜面上是要反射的。

用一面镜子和一个手电筒就可以发现光的反射定律。

把镜子的一边靠墙平放在桌子上,用手蒙上电筒的玻璃上,从手指间放出一点光。使它斜向平面镜,且略微倾向墙面,使墙上能显示出一条光线。

这时,会看见有一条从镜面反射的光线。射向镜面的那条光线叫入射光线;从镜面反射的那条光线叫反射光线。它们与镜面的角度是相等的。

从入射线射到镜面上的那一点(叫入射点)是一条垂直于镜面的直线,这条直线叫法线。入射线和法线之间的夹角叫入射角。反射线与法线之间的夹角叫反射角。反射角等于入射角,这就是光的反射定律。

潜水艇中的潜望镜便是利用光的反射定律制造的。

两面镜子装在一个高筒的两端,上端露出水面,下端在潜水艇内部。这样利用两面镜子的反射,便可以在水里观看海面的情况。

万花筒也是利用反射定律的原理制作出来的。

万花筒里面装有两面镜子,镜面夹角是60°,镜面夹角内放了一些彩色玻璃碎片,图形就是两面镜子造成的。

左面镜子内有右面镜子的像,这像里又有左面镜子在右面镜子里的像。这样像套像就产生了几幅彩色玻璃碎块的同样的像。

镜子之间夹角是60°,一圈是360°,根据光的反射定律,两面镜子就能产生六幅同样的像,构成一幅六边形图案。

晃动纸筒,玻璃碎块的排列就会改变,那六幅图像也就换了花样了。

顾名思义,表面是平的镜子,叫平面镜。只有平面镜才能产生和实物一样大的像。

如果镜面不是平的,而是弯曲的,光线反射后生成的像就和实物不一样大了。

镜面凸出的,镜内的像就要比原物小些;镜面凹进的,镜里的像就会比原物大些。如果镜面这里凸起,那里凹进,你站到它面前向镜里看,就可能看到大脑袋小身体,或者是扁脑袋细腰身短粗腿的像。

这便是哈哈镜的秘密。