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第7章 光学乐谱(1)

光学是关于光和视觉的科学,早期只用于跟眼睛和视觉相联系的事物。今天常说的光学是广义的,是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的,关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示,以及跟物质相互作用的科学。

光学分成几何光学、物理光学和量子光学。同时由于光学有着广泛的应用,所以一系列应用背景较强的分支学科也属于光学的范畴。

光学是物理学的一个重要组成部分,也是与其他应用技术紧密相关的学科。

1.雾都的贡献

在20世纪30年代,自行车在英国风行一时,但英国是一个多雾的国家,自行车的出现给交通安全带来了很大的隐患。因此,英国政府为了想出一个办法解决这个问题,悬赏征集建议。

由此,诞生了我们现在使用的尾灯。

尾灯看起来是一片塑料,其实作用和构造很奥妙。当汽车灯光照向自行车时,自行车的尾灯能强烈地发亮,引起司机的注意。你也许认为那与镜子的作用相同。其实不然,要想看见镜面发射的光,入射光线必须垂直于镜面,观察的人也必须正对着镜面,若光从侧后方照射时,由于光反射向另一侧,观察者就看不到反射光。

小平一直很注意观察周围的事物,她非常想了解尾灯的原理,就找到自己的物理老师。于是,她的老师做了一个实验:把一个夹角为90°的偶镜直立在柜子上,让镜子的中间部分距地面的高度和人的眼睛距地面的高度相同。取一个手电筒,把它靠在人头部的一侧,让它和眼睛在同一水平线上。打开手电筒,让光线水平地入射到偶镜中,人会从偶镜中看到炫目的反射光线。不管你站在什么方向,只要保证光线沿水平入射,用光的反射定律可以证明,反射光线总是沿着原来的方向返回。老师说:“如果光线不沿水平入射,反射光也就不沿原路返回,而射向另外一个方向,这种情况怎么办呢?这并不难办,只要把三面相互垂直的镜面装在一起,就像一个箱子的一角一样,问题就解决了。”这种装置叫“角反射器”。三面镜子组成的角反射器有三条公共的棱边,相当于三个偶镜,因此光线无论从什么角度射到它上面,都会沿着原方向反射回来。

仔细观察尾灯的红色塑料片上有很多突起的部分,每个突起的部分都是一个角反射器。汽车的前灯照在它上面的时候,就能把光按原来方向反射回去。其实公路上的“猫眼”就是一些简易的角反射器。

月球上也有“猫眼”,这个“猫眼”就是角反射器。1969年7月,“阿波罗”11号的宇航员首次登上月球时,他们把角反射器装在了月球上。这个角反射器的质量是30千克,由100块熔融石英直角棱镜组成。自那次以后,又陆续送上去四块,它们的面积更大。

在天空飞行着的数十个人造卫星上,也都装有大大小小不同的角反射器。当从地面向月球或这些人造卫星发射激光时,无论月球或人造卫星运行到什么方位,这些角反射器总能把光线反射到原来发光的地方,在它们的帮助之下,地球上的人们可以精确地测定它们的距离、速度与加速度。

2.宝藏在哪里

古代有个财主,家中有世代相传宝物,这个宝物的样子像一个铜制的圆筒,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,他们能向筒里放东西,但看不到筒底,因为盖子挡住了视线。

听说在筒底刻着字,谁能看见那些字,就知道祖先留下的财宝在哪里。不过这只是祖辈传下来的一个故事,谁也没有真的相信,更不想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,这个人终于揭开了谜底,他在没损坏宝物的情况下看到了筒底祖先刻下的字。

原来,一天他无意中把水倒进筒里,发现筒底好像升高了,透过圆筒和盖子的缝隙可以看到筒底的文字。上面写着:“宝藏在知识里。”

这个传说也许不是真的,但科学道理是对的。现在可以用一个实验来证实它:把一枚硬币放在一个搪瓷口杯里,把口杯放在桌子上向前推,直到看不见杯底的硬币为止。此时不要晃动你的头,向杯子里倒水。你会重新看见那枚硬币,觉得硬币升高了大约1/4。

其实这是光线耍的把戏,当光线从一种媒质斜射到另一种媒质的时候,会偏离原来的方向发生折射,才使你看到了硬币。实验指出:当光线从空气射向水的时候,光线靠近法线(和分界面垂直的线);当光从水中射向空气的时候,光线远离法线。筒底的文字反射的光在从水里射向空气的时候,由于折射向筒边偏了一些,所以才能穿过盖子和筒边的空隙,使这位好奇的主人看到了它。

光在不同的媒质里传播速度不同,就好像车子行在不同质量的道路上,在柏油路上的速度快,在沙石路上速度慢。假如我们把一辆两轮车斜着从平坦的道路推到沙土路上时,在道路的分界面上,车子会拐弯,原因是一个轮子会先遇到沙土,它的速度立即减下来,而另一个轮子按原来的速度前进,两个轮子的速度不同。等到两个轮子同时进沙子地后,车子又会沿直线方向前进。

光线从空气中(精确地说是从真空中)进入某一种透明物质,传播速度减少得越多,折射得就越厉害。光在真空中的传播速度和某种媒质的速度之比称为折射率。水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.5。

3.迷人的钻石

小张和小关准备结婚了,小张想给自己爱人送一样代替心意的礼物,他左思右想,还是决定去商场买个钻戒。钻石戒指代表着高贵,价格不菲,小张听说现在有很多假钻石,于是他请上了高中的同学,这位同学是这方面的行家,他向小张分析怎样辨别真假钻石。

他说:“钻石又叫金刚石,它的‘出身’并不高贵,成分和煤一样,但是由于只有在高压下,碳才会变成金刚石,所以天然的金刚石极为稀少。目前已经可以用人工的方法在高压下制成小颗粒的钻石。

“对一般人来说,最感兴趣的是钻石的光学魅力。白天在阳光下,它光芒四射,八面生辉,变幻不定的七色彩虹璀璨夺目;在夜晚,由于没有光的照耀,任何东西都失去了光彩,唯独金刚石熠熠放光。‘夜明’使金刚石又蒙上了一层神秘的色彩。

“其实,天然的金刚石并不这样美丽,必须经过加工磨制。例如钻石的某一种样式,它有50多个棱边。装饰在英王杖上的一颗取名为‘非洲之星’的名钻有74个棱面。从一开始人们不知道怎样加工这种世界上最硬的东西。”

这位同学说:“磨这么多的棱边不仅是赋予金刚石一个美丽的外形,其中还有许多光学的奥秘,在当时人们并不了解其中的科学道理。”

“如果把普通玻璃也磨成这种形状会不会有这种效果呢?钻石的独到之处是对光的折射率在所有透明物质中名列榜首。当光线从一种媒质进入另一种媒质,由于在两种媒质中的传播速度不同就会发生折射。折射率大的物质,不仅能把光线折射一个大角度,而且很容易出现全反射现象。实际上,钻石的魅力都源于它的全反射能力。”这位同学分析道,“夜晚,如果屋子里没有光,但是外面的远处某些地方肯定有光。当这些光射入到钻石后,由于金刚石的透光本领特强,折射率最大,所以光线被它的众多棱面反射、折射到与入射光完全不同的意想不到的方向。你看到它发出的闪闪亮光,但想象不出光源在哪里,感到十分神秘,就像钻石自己能发光一样。如果把钻石饰品带在身上,随着身体的转动,反射和折射的光线变化莫测,色彩也随之不断地变化,光芒闪烁会更加迷人。”

听完这一段分析之后,小张明白了该怎样辨别真假钻石。

普通的玻璃全反射的临界角在50°左右,全反射现象不明显。所以,就是外行也可以区别玻璃跟钻石。但是,现在用人工的方法能制造出折射率很接近金刚石的玻璃,用这种玻璃制成的饰品,在光学效果上很接近钻石,达到乱真的地步,但是硬度和其他的性质则完全不同于钻石。买钻石的时候你可别上当啊!

据记载,印度早在距今三千年前便已发现钻石。18世纪以前,印度是世界钻石的唯一产地。1827年巴西发现钻石。1866年非洲发现第一颗钻石。中国发现钻石只有两三百年的历史。

4.盲人辨黑白

这天,太阳暖洋洋的,有位盲人家里腌菜的坛子破了,他决定吃过早饭之后就上街去买个新的。走在大街上,他就听到有人在西边的墙脚下喊:“卖坛子!有黑的,有白的,质量第一,做工漂亮,价钱适宜,童叟无欺!”一面喊还一面用小棍敲着摆满一地的坛子,发出清脆的声音。

“你这两种坛子大小一样吗?什么价钱?”盲人走过去问。

“大小形状都一样。不过,白坛子要比黑坛子贵,黑的10块钱一个,白的18块钱一个。”

“这我知道,白坛子烧制的时候,火要更旺,它的质地比黑的更坚硬。”盲人说。

“先生是个行家啊!你要哪一个?”

“要白的,你给我挑一个吧!”

卖坛子的人拿了一个白坛子,刚要给他,忽然灵机一动,心想我倒要见识这位盲人的真本事。于是他随手换了一只黑坛子递过去,还用小棍敲了敲,声音同样清脆,说明是好的,也没有裂纹。

盲人凭耳朵听出这是个好坛子,接过来里里外外摸了一遍,然后他又摸了摸地上的几只。这一摸,盲人生气了:“这是个黑坛子!你竟然是个骗子。”

“先生请不要生气,”卖坛子的一看事不好,赶忙解释,“我不是存心骗您,真的不是,而是想见识一下您的本事。果然身手不凡,非常佩服。向你道歉了,这坛子送给你,不要你的钱。”

“谁要你送,钱一分不少你的。”

“敢问先生以前烧过陶器?你又看不见,却如何分辨黑白呢?”

“有神仙帮助!”盲人还在生气呢。

卖坛子的人一再道歉,盲人相信了他的确不是有意欺骗,就告诉他:“我是靠手的感觉判断的。你的这些坛子让太阳一晒,都变暖和了。可是,黑色吸热多,白色吸热少,所以黑坛子就比白坛子更暖和些。盲人眼看不见,就只有靠耳朵听,靠手摸,久而久之,耳朵和手比你们的灵。我摸了几个坛子,就很容易分辨哪个是黑的,哪个是白的。其实,我不用手摸,只靠耳朵听也能分辨出这两种坛子。”他边说边用小棍敲坛子,“你听,虽说两种坛子的声音都清脆,因为白坛子质地更坚硬,声音就更高些、更脆些、更实些。当然啦,用手摸不是更简单吗?”原来,盲人是靠热辐射的规律而分辨黑白的。

最后盲人付了钱,抱了一个白坛子满意地回家了。

在太阳光底下,两个人分别穿上一件白衬衣和黑色衬衣,哪个人的温度会更高?这肯定是穿黑色衬衣的人,因为黑色吸热快,所以他的身上温度高。

1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩(WilhelmWien,1864—1928年),以表彰他发现了热辐射定律。热辐射是19世纪发展起来的一门新学科,它的研究得到了热力学和光谱学的支持,同时用到了电磁学和光学的新技术,因此发展很快。到19世纪末,这个领域已经达到如此顶峰,以至于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。

5.白衬衫与蓝墨水

小庆只有一件白衬衫,非常爱惜,只有少先队队日才穿出来。白衬衫穿久了也渐渐发黄,妈妈给他洗衣服的时候会在水盆里滴几滴纯蓝墨水,漂洗过后白衬衫显得更白。小庆一直不知道为什么。

带着疑问,小庆找到自然老师,于是老师带着小庆一起来到了实验室。

老师说一个小实验便可以揭开这个谜。在一碗水里放一些增白剂,调匀。在一个暗屋子里用强光照射,小庆发现溶有增白剂的水会发出蓝盈盈的光。

其实,增白剂不是真正地把衣服上的黄色褪掉,而只是欺骗了你的眼睛。原来增白剂在阳光中紫外线的照射下会发出蓝色的荧光,这种荧光和衣服上的黄光混合起来再进入你的眼睛里,就感觉到是白色的,所以增白剂不损坏衣料。许多洗衣粉和肥皂里都加有增白剂。

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。用两只手电筒罩上蓝、黄不同颜色的玻璃纸,把一束蓝光和一束黄光照在墙壁上,如果光的强度配合好,重合的部分就是白色的。

自然界里大多数的颜色都可以用红、绿、蓝三种颜色的光按不同的比例混合而成,所以红、绿、蓝三种光又称作三基色光。

彩色电视机屏幕上的五光十色,就是利用了红、绿、蓝三种光按不同比例混合得到的。不信,你可以在看彩电的时候做个实验。用一个放大镜或爷爷的老花镜凑近正在播送节目的电视屏幕看看。在放大镜里你会看到屏幕上的彩色图像,变成了一些紧紧挨在一起的彩条,它们是由红、绿、蓝三种颜色的彩条组成的。

洗衣粉含有荧光增白剂等化工原料。荧光增白剂是致癌物质,可使人体细胞发生畸变,也可引发皮炎和皮肤瘙痒。此外,接触洗衣粉久了,可能会造成动作呆滞、脾脏缩小。对含磷洗衣粉来说,磷酸盐会对皮肤产生不良刺激,导致湿疹、皮炎。应使用无磷洗衣粉,在洗衣时多漂洗几遍,做到衣物中不残留洗衣粉;不可用洗衣粉来清洗茶杯、餐具,更不要用来洗禽肉和水果蔬菜。

6.神奇的光纤

小明是个爱思考的孩子,他在家里或者外面见到自己好奇的事物就会刨根问底,他爸爸一点都不感到厌烦,对于儿子喜欢动脑的习惯非常赞同。

有一天,小明见妈妈在家打电话,他的脑海中萌生了一个疑问:电话是通过什么东西传输信号呢?于是,他冲到书房找爸爸问个究竟。

爸爸说:“电话的信号是由光纤来传输的,光纤是细如发丝的玻璃纤维。最早提出利用光纤进行通讯设想的是英籍华人高锟,他还用最好的玻璃制成了第一批光纤。把若干根光纤合在一起就成了光缆。与电缆相比,光缆有重量轻、成本低的优点,而且能节省大量资源。利用光纤通信,还有传输信息量大、传输损耗小、无电磁辐射及保密性好、抗干扰等优点。”

“儿子啊,光纤传送信息的本领有多大呢?”爸爸问道。小明当然很开心地说想知道。爸爸说:“据计算,如果用一根由32条光纤组成的、直径不到1.3厘米的光缆,可以同时传送50万路的电话和5000个频道的电视节目。如果将光纤接入家庭,那么你可以在‘滴答’的1秒钟内,给朋友传送去50多张DVD的内容,真是快得惊人!”

人们发现,光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输;人们还发现,光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢?难道光线不再直进了吗?

这些现象引起了科学家丁达尔的注意,经过他的研究,发现这是全反射的作用,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流里,光仍沿直线传播,只不过在内表面上发生了多次全反射,光线经过多次全反射向前传播。

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