书城教材教辅课本上读不到的物理故事
19802400000017

第17章 有趣的光学(3)

【物理碰碰车】

空间魔法师——镜子

不知道大家有没有这样的经历,进入一个小店之后发现空间并不小,于是一直往前走。最后,“怦”地一声,头撞在了镜子上。这就是镜子制造的一种魔法空间。

在制造空间感、迷惑视觉方面,没有物品能够比镜子做得更好。如果想要扩大室内空间,最好的方法是用镜子覆盖整个墙壁,让房间中的所有家具都能在镜面中成像,这样室内空间在视觉上可以增大一倍。如果想要创造出纵深感,可以在左右相对的墙面上都覆盖镜子,此时两面镜子互相映照,视觉上就会产生无限深远的感觉。

“被砍下的人头”会说话

有这样一个神奇的魔术,魔术师会走上台来给观众看一张空空的桌子,无论桌子的上面还是下面都是空的。然后这个魔术师会再请助手拿来一个关着的箱子,告诉大家说里面有一个没有躯体的人头,能够说话。然后他会把箱子放在桌子上,正对着观众打开箱子,观众们会突然看到一颗会说话的人头。哇!是不是很惊险刺激?

不过,这样的事情并不稀奇。在各地的博物馆或者陈列馆经常出现这样的巡回展览,展出的都是些看似非常神奇的魔术。有时候你会看到一张桌子,桌子的盘子里有一颗人头。这个人头会眨眼,会说话,会吃东西,尽管你无法走到桌前,但是你也能肯定桌子下面确实什么都没有。

不过,“被砍下的人头”真的会说话吗?当然没有,那么魔术师又是怎样办到的呢?其实想拆穿这个魔术很简单,下次看到这一幕的时候,悄悄地向桌子丢一个纸团,一切都会真相大白的。原来桌子周围都已经被围上了镜子,如果你再环顾四周,会发现屋子也空荡荡的,四面墙壁没有任何差别,就连地板也是单一的颜色,其实这些也都是为了配合镜子不被发现而故意设置的。

许多魔术与镜子都是不可分割的,因为镜子是最能造成观众视觉错觉的道具,魔术师会用幽默的话语转移我们的注意了,同时用熟练的手法让我们信以为真。相信大家已经能够揭秘直前的魔术了,那个箱子其实是一个没底的空箱子,而桌面上有一块可以折叠的板子。一旦魔术师把没有底的空箱子放在桌子上,坐在桌子下面镜子后面的人就会把头伸出来。其实这种魔术还能设计成其他方式,你能不能创造一个呢?

【物理碰碰车】照镜子的灯应该放在哪里

很多人喜欢在照镜子的时候把灯放在身后,虽然他本来的愿望是想看清楚自己在镜中的像,可是这样做并不会让镜中的自己看起来更清晰。如果想要镜子中的自己看起来更清晰,灯放在身前更合适,因为只有本体距离光源较近的时候,镜子里的像才会跟着变亮一些。

光的反射与微观世界

光的反射不仅可以让我们的视野变得宽阔,它还打开了我们通往微观世界的大门。显微镜的发明与光的反射原理也是不可分割的呢!

显微镜的发明者叫列文虎克。16岁那年,他到一家杂货店当学徒,隔壁正好开着眼镜店,艰难的生活让他比其他的小孩更加勤奋好学,于是他利用业余时间在眼镜店学会了磨眼镜的技巧。后来,杂货店倒闭,失去工作的列文虎克到处流浪,最终在自己家乡德夫特镇政府当了一名看门人。在这段日子里,列文虎克感到十分无聊,于是,他又重新干起自己热爱的活儿——磨眼镜。

33岁的时候,列文虎克制作出了第一台显微镜。

这天,列文虎克把镜片磨得又薄又干净,站在阳台上,用它来观察从空中落下的一滴滴雨水,他突然竟然发现雨水里还有许多肉眼看不见的微小物体在游动。

“真是太有意思了。我还能不能磨出更好的镜子呢?”

第一台显微镜激起了他的兴趣,他一心想要看到更清楚的微观世界,揭开这个世界里更多的秘密。于是,他精心地磨呀磨,不停地调呀调,镜片磨得发烫,手磨得起泡,但是想要揭开微观世界的秘密这个信念都支撑他咬牙坚持着,他要把镜片磨得再好一些、看得再清楚些!后来他把磨好的镜片固定在金属板上,并装上能够调节镜片的螺旋杆,不过这样的镜片看微观物体时并不很清晰,因为背景光不够明亮,整个图看起来显得非常暗沉。最终,列文虎克在镜片的下方又装了一个反射镜片,让阳光可以反射到载物台上。有了这个反射镜片,目镜下的图像看起来美观了很多。

后来,列文虎克相继制造出了两台放大150倍和270倍的显微镜。他用这两台显微镜观察了血液,绘制了红血球和微血管图,打开了微观世界的大门,人们因此看到了更加奇妙的微生物世界。

伴随着列文虎克的显微镜的问世,后来许多科学家在他的基础上进行了改进。1931年,恩斯特·鲁斯卡成功地发明了电子显微镜,使人们能够看到百万分之一毫米小的物体,并引发了一场生物学革命。鲁斯卡也因此获得了诺贝尔奖。

【物理碰碰车】

同为显微镜,原理大不同

列文虎克制作的显微镜是利用光线来观察微观事物,属于光学显微镜。目前医院里化验大小便、血液、分泌物、染色体等,用的仍然是光学显微镜。光学显微镜的分辨本领只能做到十万分之四厘米到十万分之二厘米左右,适合观察细胞的整体形态。

电子显微镜诞生于20世纪30年代,它的放大能力比光学显微镜大1.000倍。电子显微镜利用的物理原理可不是光线,它涉及的是物理学中的另一个领域——电磁学。它是用电子束和电子透镜来光束和光学透镜,让物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像。目前最先进的电子显微镜是隧道扫描显微镜,它可以把物体放大上百万倍,甚至可以看到单个原子,它为人类打开了原子世界的大门。

光的朦胧美:光的折射

诡异的天边绿光

昏暗的黄昏,太阳马上就要落下去了。忽然,一条醒目又诡异的绿光出现在太阳上边,不过只出现一下就消失了,就好像有一个神秘的物体从太阳旁边飞过飞过一样!那是什么呢?难道是外星人的飞船?

凡尔纳的小说《绿光》中也记录了一个年轻女主人公寻找绿光的故事,不过这绿光并不只是出现在科学幻想中,它是实实在在存在的现象。只要你有足够大的耐心,就能够在海上日落时捕捉到这一奇景。

其实,所说的“绿光”是太阳的上缘与地平线若即若离时发生的一种特殊现象,这时候你会发现那灿烂无比的天体射出的最后一道光芒居然不是红色的,而是绿色的。这种绿光,是人无论在调色板、大自然的植物或者大海的色彩中都无法复制的。

那么这抹绿光是怎样形成的呢?如果你曾用玻璃三棱镜观察过纸张,也许你更容易理解下面的讲解。当你把三棱镜的宽面朝下,水平地放置在眼前时,你试着用它去观察钉在墙上的一张白纸,此时你会惊讶地发现白纸边缘的颜色发生了变化,位置也比实际位置高出许多。这种现象是因为玻璃对不同颜色的光折射率不同而造成的。我们看到纸的上面是从蓝色过渡到紫色,因为紫色和蓝色的光线比其他颜色的光线折射程度大;而这张纸的下缘是红色的,因为红色光线折射程度最小。

三棱镜把来自纸的白光分解成为光谱上各个颜色的光,这些颜色按玻璃对该颜色的折射率大小而顺序排列。有些光叠加后又变回了白色,但纸的上缘和下缘没有发生这种现象,所以边缘呈现出了不曾混合的颜色。

绿光的形成与三棱镜的这一特性密切相关,地球的大气层其实就是一个宽面朝下的巨大气体三棱镜。平时地平线上天空中的太阳透过三棱镜时,强烈的光线压过了边缘比较弱的色彩,日落的时候,太阳的整体都藏在地平线以下,我们就能够看到它上缘的蓝边。边缘是双色的,上面是蓝色,下面是蓝色和绿色混合而成的蔚蓝色。然而蓝色的光线常常被大气散射掉,最后只留下绿色的边缘,这就形成了看起来十分诡异的“绿光”现象。

很多人受到凡尔纳小说的影响,执著地寻觅这一奇景。两位阿尔萨斯的天文学家用天文望远镜捕捉到了这一现象。他们描写到:“……日落前的最后几秒,在太阳上沿的边缘有一道绿色的窄边儿。这情景无法用肉眼捕捉,只有在太阳要消失的那一瞬才能看见。当你拿起高倍望远镜时,你就能看得一清二楚。”

这种现象通常只持续1~2秒钟,只有在极其偶然的情况下才会持续很长时间。据记载,曾有一个快步行走的观测者看到了绿光现象,并且发现这一现象持续了五分钟以上。他看到了太阳像是戴上绿色边饰一样缓缓下落。不过,太阳可不是唯一能发出“绿光”的天体,这道诡异的绿光有时候也会出现在金星下落的时候。

【物理碰碰车】空中为什么有“三个太阳”

天空种出现的半透明薄云里,飘浮着许多六角形柱状的冰晶体,它们偶尔会整齐地垂直排列在空中。当阳光射在这一根根冰柱上时,会发生很规律的者折射现象。冰柱中会射出来三条光线射,中间那条是太阳直接射出来的,是真正的太阳;旁边两条光线是阳光经过晶柱折射形成的。两旁的这两个太阳实际上是太阳的虚像,也叫做“假日”。由于六角形冰柱有规则排列在空中的情况极少,所以这种三日同辉的光学现象就极为罕见了。

藏在壶中的宝藏

古代有个财主,家中有个世代相传的宝物。这个宝物的样子就像一个铜制的圆筒,圆筒上顶着一个盖子,盖子上趴着一条龙,盖子和筒口之间有一段距离。大家可以往筒里放东西,但看不到筒底,因为盖子挡住了视线。传说筒底刻着字,只要能够看到那些字,就能够知道祖先留下来的财宝藏在哪里。不过这只是祖辈流传下来的一个故事,谁也没有真的相信,更没人想过弄坏这个传家宝来证实这个莫须有的传说。

当这个传家宝到了第十二代时,这个传人终于揭开了谜底,而且在没有损坏宝物的情况下看到了筒底上祖先刻下的字。原来,有一天他无意中把水倒进了筒里,发现筒底好像升高了,透过圆筒和盖子的缝隙,他终于看到了筒底的文字,里面根本不是什么藏宝图,而是一句话:“宝藏在知识里。”原来祖先是希望后人能够通过知识来改变自己的命运,改善自己的生活。

这个故事也许是古人编造的,但是其中所含的科学道理是正确的。它所包含的科学道理就是光线的折射。当光线从一种介质斜射到另一种介质的时候,光线就不再沿直线传播,而是偏离原来的方向传播,这种情况就是光线的折射。

刻在筒底的文字所反射的光在从水中射向空气时,由于发生了折射使这些字向筒边偏了一些,所以这传家宝的第十二代传人才能穿过盖子和筒边的空隙看到它。

【物理碰碰车】

让同学佩服你的硬币魔术

准备一枚硬币和一个碗,把硬币放在碗里,让同学站在刚好看不到硬币的地方,然后告诉他:“不需要你挪动地方,我就可以让你看到这枚硬币”。此时向碗里面加水,加满的时候站在远处的那位同学就可以看到碗底的那枚硬币了。

读完前面寻找宝藏的故事,你自己能够解释这个魔术的原理吗?

“千里眼”是这样炼成的

神话故事中,“千里眼”和“顺风耳”经常出场做临时演员,不过我们的生活中还真有这两样东西,你知道是什么吗?没错,就是望远镜和电话。贝尔发明电话的故事家喻户晓,那么望远镜是怎么来的呢?

荷兰人汉斯·李波赛尔在米德尔堡镇开了一家小小的眼镜店,一家五口过着祥和的生活。一天,他的三个孩子在阳台上玩玻璃镜片,发现将其中的两块叠起来便能看清远处的教堂塔尖,这让汉斯·李波赛尔兴奋不已。后来,他打磨出一种中间厚、两边薄的圆形镜片,用这种镜片看文字能把字体放大。喜欢思考的汉斯·李波赛尔又做成另一种镜片,中间薄、两边厚,戴上这种眼镜一看,周围的事物都变小了。最后,他灵机一动,找来一根竹筒,把两种不同的眼镜片分别装在竹筒的两端,嘿,奇迹出现了,远处的景物拉近了许多,清晰得就像放在鼻尖前一样。就这样,人类的第一架望远镜诞生了。

1608年6月的一天,伽利略也按照他的做法,找来一根空竹管子,一头装凹面镜,一头放凸面镜,做成了一个小小的望远镜。在威尼斯的圣马克广场的钟楼上,他请来了议长和一些议员,让他们依次登上钟楼,用他的望远镜观看大海,不仅看到了用肉眼无法看见的轮船,还看到了体积更小、速度更快的海鸥……

小小的成功给了伽利略极大的鼓舞。后来,他全身心投入到望远镜的研究中。后来,他又将望远镜的倍数不断提高,5倍,8倍,12倍, 16倍,20倍……直至做成了可以放大32倍的望远镜。

伽利略用望远镜发现了天体的许多奥秘:“月亮并不是皎洁光滑的,上面有高山、深谷,还有曲曲折折的火山裂痕……而且自身不发光,像地球一样。”那时,伽利略激动万分。他的这一发现,与当时所有天文学家认为月亮是一个发光体的观点正好相反。“银河里有许多小星星。太阳里面还有黑点。太阳本身在自转。”

伽利略沉浸在望远镜带来的喜悦中,沉醉在探索宇宙奥秘的兴奋中,他还用望远镜还发现木星有四个较大的卫星,也发现了许多像太阳那样巨大的恒星。在天文学的发展中,望远镜的出现绝对是一件划时代的大事。