书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第16章 有趣的光学(2)

当两种颜色不同的光混合以后,人感觉到的就是另外一种颜色。比如用两只手电筒分别罩上蓝色和黄色的玻璃纸,把一束蓝光和一束黄光照在墙壁上,如果光的强度调配好,重合的部分就是白色的。

自然界中大多数颜色都可以用红、绿、蓝三种颜色的光按不同比例混合而成,所以红、绿、蓝三种光又称作“三原色光”。

【物理碰碰车】

电视机藏着的光学机密

彩色电视机屏幕上五光十色,你又没有想过这些色彩是怎么来的呢?其实它就是利用了红、绿、蓝三种不同的光混合而成的。

不信的话,你可以在看电视的时候做个实验。电视上正在播放节目的时候,拿着放大镜去看电视画面,此时你会发现电视机上的图案消失了,取而代之的是一些紧紧挨在一起的彩条,这些彩条都呈现红、绿、蓝三种颜色。实际上。彩色电视上面所有的色彩都是这三种颜色按照不同的比例混合而成的。

隐藏在光谱两端的“隐形光”

虽然牛顿很早就发现了可见光谱,其实在可见光谱两端还有两位穿着隐形衣的“大侠”,下面我们去认识一下它们吧!

牛顿确定可见光波长之后的130多年,一位叫做威廉·赫歇尔的科学家发表文章称太阳光在可见光谱的红光之外还有一种肉眼不可见的光谱,能够放出比较高的热量。这种红光之外的光谱就是红外线。他将太阳光用三棱镜分解开,在不同颜色的色带位置上放了温度计,想要测量各种颜色的光的热效应。但是结果却大大出乎他的意料,位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此赫歇尔得到结论:太阳光谱中,红光的外侧一定存在着我们看不到的光线,他把这光线叫做“红外线”。

德国物理学家里特对赫歇尔的发现非常感兴趣,他坚信物理学中的事物都有对称性,因此既然可见光谱红端之外有不可见的辐射,那么紫色端之外也一定有不可见的辐射。1801年的一天,他用一张纸蘸了少许氯化银溶液,然后把纸片放在了紫光的外侧。当时人们已经知道氯化银在加热或受到光照时会分解出银,析出的银由于颗粒很小呈黑色。过了一会儿,里特果然发现醮有氯化银部分的纸片变黑了,这说明纸片的这一部分受到了一种看不见的射线照射。里特把这不可见的光叫做“去氧射线”,不久之后,被简化为“化学光”。到了1802年,它最终得名“紫外线”,并一直沿用至今。

这两个隐身大侠都具有比较高的能量。其中红外线可以分为三部分:近红外线、中红外线和远红外线。红外线的穿透能力很强,在通讯、探测、医疗、军事等方面都有广泛的用途。

同样是根据波长,紫外线可以分为近紫外线,远紫外线和超短紫外线。紫外线对人体的穿透程度不同。波长越短,对皮肤的危害越大。短波紫外线可以穿过真皮,而中波则可进入真皮。

【物理碰碰车】能看到不可见光的动物们

你知道吗?人类看不到的光线,好多动物都能看到哦!

1响尾蛇:它可是感知红外线的高手,就算在漆黑的夜晚,它也能准确判断出老鼠的动静。

2食人鱼。著名的食人鱼“水虎鱼”,也是感知红外线的高手,即便在浑浊的泥水中,它也可以找到猎物。

3蜜蜂。凭借着高超的对紫外线的感知力,蜜蜂总能准确地找到蜜源!

是不是很神奇呢?其实,动物也很厉害呢!

最亮的光——激光

20世纪以来,继原子能、计算机和半导体之后,人类有了一项重大发明,这个发明有很多雅称:“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”,它就是“奇异的激光”。说它是最亮的光一点都不奇怪,因为它的亮度是太阳光的100亿倍。

早在 1916 年,美国著名的物理学家爱因斯坦就认为激光是可以实现的,但是直到几十年后激光才首次成功地制造出来。

1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象:将氖光灯泡发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体分子会发出鲜艳的、而且会始终聚集在一起的强光。他们根据这一现象提出了“激光原理”,发表了重要论文,并获得了1964年的诺贝尔物理学奖。

1960年5月,美国加利福尼亚州的科学家梅曼则宣布自己获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼也因此成为世界上第一个将激光引入实际生活领域的科学家。1960年7月,梅曼创造了世界上第一台激光器。

同年,前苏联科学家尼古拉·巴索夫发明了半导体激光器。随着激光器的不断出现,关于激光的研究获得异乎寻常的发展。

激光是亮度极高的光。在激光发明前,高压脉冲氙灯的亮度是最高的,与太阳的亮度不相上下,而红宝石激光器的发明后所产生的亮度,能超过氙灯几百亿倍。而且当它照射在月球上时,它所产生的光斑肉眼可见。

另外,与其他光源不同的是,其他光源向四面八方发光,而激光则是朝着一个方向射出,发散度极小。1962年,人类使用激光照射月球,地球离月球的距离有38万公里,但激光在月球表面上产生的光斑还不到两公里。

除了应用于天文学,激光在生活的其他方面也有很大的用处。比如用激光来切割钢铁、激光手术等。不过目前最火爆最受欢迎的用途应该是激光美容吧!

【物理碰碰车】激光彩虹

2012年3月4日,为了迎接伦敦奥运会的到来,英国惠特利贝湾上空放置了七柱彩色激光,形成巨大的“人造彩虹”,非常壮观。这彩虹是由美国艺术家伊维特·麦滕斯创作,名为“环球彩虹”。这彩虹连续了展示五个晚上,吸引了很多民众前往参加。自然形成的彩虹各种色彩之间边界是模糊的,但是由于激光只朝着一个方向射出,而且纯度很大, 所以这几束光只是拼在一起,彼此边界十分清晰。

战胜敌人的致命武器:光的反射

用盾牌杀死女妖的珀尔修斯

光的反射既可以作为武器杀死女妖,也可以让一位美少年自恋到极点,光的反射究竟是什么东西呢?它为什么具有这样的魔力?

光在两种物质的分界面上改变传播方向又被返回原来物质中的现象,就是“光的反射”。如果你遇到了“哈利波特”中那个能让人瞬间石化的蛇怪,你会怎么办呢?看完下面这个故事也许你就能找到答案了。珀尔修斯面对可怕的蛇发妖女美杜莎时,仅借助一面盾牌就杀了她!

美杜莎本是个美丽女子,受到诅咒之后变成一个头上长满蛇头的女妖!跟蛇怪一样,她的眼睛也不能看,否则会变成一块石头!那么,珀尔修斯是怎么杀死她的呢?一面盾牌、一个隐身魔法帽、一把宝刀就是珀尔修斯的装备。很简单是不是?可就是那个不起眼的盾牌,让珀尔修斯取得了胜利!珀尔修斯戴上魔法帽,让女妖看不到他,然后拿着擦亮的盾牌确认女妖的位置,一接近女妖,马上就挥刀砍下了她的头颅。盾牌中女妖的身影就是光的反射。

另一个神话故事也很神奇!那耳喀索斯是个美男子,几乎所有的女子只要看他一眼都会爱上他。一天,他到泉边喝水,忽然发现水中有个年轻人正在看自己。啊!这个年轻人太帅了,那耳喀索斯对他一见钟情!他目不转睛地盯着那个影子,直到精疲力竭而死!听完这个故事,你一定笑坏了!怎么会有人被自己的倒影迷死呢?不过,这只是个故事而已。但是其中也有一个光的反射现象,你找到了吗?

【物理碰碰车】光的反射定律

在反射现象中,反射光线、入射光线和法线都在同一个平面内;反射光线、入射光线分居法线两侧;反射角等于入射角。这就是光的反射定律,简称为“三线共面,两线分居,两角相等”。在反射现象中,光路是可逆的。

烧毁敌人战舰的武器:反光镜

现在你知道珀尔修斯是怎样利用光的反射杀死美杜莎的了吧?他利用光的反射,从盾牌中看到了美杜莎的位置,然后靠近并杀死了她。而那耳喀索斯,则完全不懂反射,竟被水面上自己的倒影给糊弄了,最后被世人传为笑柄!

当然,除了珀尔修斯,阿基米德也是利用反射的高手!罗马舰队曾经进攻阿基米德的故乡叙拉古。当时,浩浩荡荡的罗马舰队一边狂叫一边驶向毫无反抗力的叙拉古,眼看一场屠杀就要开始。此时,阿基米德正镇定地指挥着“镜子军团”,等罗马人的舰队一靠近海岸,他就下令把所有反光镜的光束集中射到舰队上。很快,舰队船只的甲板在反光镜形成的焦点上冒起了青烟,随后就起火燃烧,并迅速烧着了整个舰队!阿基米德胜利了!神奇的反光镜,就这样帮阿基米德战胜了不可一世的罗马军团。

很厉害是不是?其实现代人也很厉害!注意过小汽车吗?它右侧的镜子是一个凸面镜,凸面会在反射时让光发散出去,照射范围更广。而与此相反的凹面镜则可以集中光线,从而点燃物品。采集奥运圣火时,正是由于凹面镜对光的集中性,才使得圣火一靠近凹面镜就被点燃了!想试试用凹面镜点燃东西吗?那就马上自己去试试吧!

【物理碰碰车】神秘的“透光镜”

我国古代有一种“透光镜”,它的外形跟古代的普通铜镜一模一样,也是金属制造的,它的背后有图案文字。“透光镜”的反射面磨得很亮,可以照人。一般情况下,当一缕光线照射到镜面上,光线反射后投射到墙壁上,应该会形成一个普通的圆形光亮区。但是“透光镜”被反射之后光亮区竟然显示出了镜子背面的图案和文字,就好像是透过来的一样,这镜子也因此得名“透光镜”。不过,这其中的道理,现代的科学家也依然没有搞清楚。

万花筒中的“反射”世界

一提到万花筒,很多人都会想起小时候玩的那个玩具,往它里面看得话,会看到很多美丽的图案。那么你想不想亲自走进万花筒中去看一下呢?

1900年的巴黎世界博览会上,工作人员就建造了这样一个房间,把人们带进了万花筒的世界。这个房间就是所谓的“幻景宫”,整个房间有一个六角形的大厅,大厅的墙壁全部由高度抛光的镜子做成,而且在大厅的每个墙角都安装了与天花板雕塑融为一体的柱式和檐形的建筑装饰。

一旦你走进去,就会发现自己淹没在了人群中,而且所有的人都十分酷似你自己。整个房间像是一个望不到头的由无数大厅组成的庞大建筑,每一个大厅都装修得一模一样。这所房子之所以会让人有这样的感受,跟那竖着的六面镜子的墙有关。

这个场馆当时吸引了无数的人前往参观,万花筒的魅力由此可见一斑。在这个小小的可以转动的直筒中,五颜六色的碎玻璃片通过镜子的反射,变成丰富多彩、变化莫测的图案出现在我们面前。万花筒是由英国人发明的,相传早在17世纪它就已经流行起来了,后来人们开始用各色宝石代替了玻璃片子和珠子,如此经过改造的万花筒很快由英国传到法国,继而传到了世界各地。

正因为如此,万花筒引起了从事装饰工作的美术师们的兴趣, 并将它渐渐地从一个玩具改造成了一个辅助设计的工具,很多由它瞬间创造出了的图案都妙不可言,美得让人折服。随着科技的进步,能够拍摄万花筒中图案的仪器,让这些图案在让人惊叹之余,融入到了壁纸的花纹、织物的纹饰上,给大家的生活创造了美的享受。就这样,昔日的玩具被赋予了新的审美意义。

【物理碰碰车】多少年才能看尽万花筒中的图案

万花筒的神奇之处在于只要你的手一动,眼前就会出现新的图案组合。那么,将万花筒中的图案全部看一半需要多少年呢?

假设我们在里面放了20块五颜六色的碎玻璃,然后每分钟转动10次来让这些碎玻璃片形成新的图案,我们要花费多少时间才能看完所有的图案呢?即便不知道数学很差的同学也可以试着数一数,不过你最终会放弃的。因为你会发现根本没有什么重复的图案出现,这件事情似乎没有尽头。其实已经有好奇的科学家做过计算,想把这些图案全部转出来的话都至少要花上500 000 000 000年,更别提一一细看了。

镜子中的“魔法空间”

房子很小的话,人生活在里面常常会感到压抑,如果不动一砖一瓦就把房间变大,你能做到吗?想知道这个妙招吗?看了下面的故事,你就知道怎么办了!

这天,邻居到妮妮家来做客,爸爸让妮妮去买些水果,于是妮妮就和来做客的小军哥哥一起来到了水果店。

他们就近走进了家附近一间装饰一新的水果店。

“哇!好多水果哦!”妮妮刚进门就被满柜台的水果惊住了,以前这家水果店可不是这样的。她大声问售货员:“你们扩大营业面积了?”

售货员神秘地笑了笑,摇了摇头。

小军哥哥左顾右盼,终于看出了门道。他对妮妮说:“不仅这里的空间没有这么大,这里的水果也没有你看到的那么多哦!”说完,他朝妮妮挤了挤眼睛。

妮妮一听着了急,因为自己还没有看出是怎么回事呢!

小军哥哥笑了笑,提醒妮妮说:“你仔细看看,水果后面是什么?”

妮妮冲着后面看了又看,也笑了:“哈哈,我好粗心啊,竟然没看出来那是镜子。”

“你看,北面墙上有面大镜子,西面墙上也有一面,天花板上也有一面。这些镜子组合在一起,互相映照,这样整个空间就看起来大了很多。”

售货员听了两个人的对话,夸奖他们说:“真是爱思考的孩子!镜子能够反射光线,镜子这边的物体能够在镜子中形成一个物像,这样物品看起来就变多了,这就是我们这的水果看起来丰富了许多的原因;如果在镜子的对面再放置一面镜子,这样镜子就可以互相映照,空间似乎就变大了许多。镜子就是我们把空间变大的法宝啊!”