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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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！

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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。

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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。

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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。

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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。

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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！”

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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。