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第9章 光电小实验(3)

2.拉上玻璃窗前的窗帘,在两片窗帘之间留一个洞,只让一束太阳光线射进来,这样,也可以把这一束平行光看作是点光源发出的。把头发放到这束太阳光下,就能看到清晰的影子。

针刺火柴

操作难度:★★

实验方法:

在一张桌子的角上,用厚书本竖立一根火柴,横卧一根火柴。

然后,手拿一枚大针,伸直手臂,沿着火柴杆方向,用针去刺火柴头。经过几次对比试验后,你会发现:针刺竖立的火柴,容易刺中;针刺横卧的火柴,不容易刺中。转动厚书,使横卧的火柴,指向脸部,就更不容易刺中了。

再闭上一只眼睛试试,准确性更差了。这是为什么呢?

知识延伸:

视觉的立体感是由双眼的“视觉差异”产生的。人的双眼在一个水平线上,对竖立火柴的视觉差异大,立体感强,容易判断火柴的位置,自然容易刺中火柴;对横卧火柴的视觉差异小,立体感弱,难以判断火柴位置的远近,就不容易刺中。闭上一只眼睛,双眼视觉差异消失了,所以就更难刺中。

奇怪的酒杯

操作难度:★★

实验方法:

拿一个高个的细酒杯。取出一张1寸小照片,剪去边角放入杯中。再找一个与照片大小差不多的凸透镜片,也放入酒杯中。

凸透镜凸面朝上,照片有人像那一面也朝上。这时,你端起酒杯,会发现杯底里什么也没有。(只有凸透镜,看不到照片。)请问,这是为什么?

现在,用一个透明塑料袋装水,放入酒杯中,再往杯底看。这时,你将看到照片上的人像。请问这又是为什么?

塑料袋只是为了防止水把照片弄湿,亦可不用。

知识延伸:

利用光学原理,就可以破解上述杯中之谜。原来酒杯里的凸透镜焦距很短,只有4毫米,把照片放在4毫米稍远的地方,通过透镜就看不到这张照片。

这是因为通过透镜看照片,照片与透镜的距离必须比焦距短,才能看到放大的虚像。在这个酒杯里,照片与透镜的距离比焦距长,就看不到照片的像了。

酒杯里倒进水或酒以后,水或酒与凸透镜形成了一个凹透镜。这样,酒杯里就有了两个透镜,一个是玻璃凸透镜,一个是水或酒形成的凹透镜。这两个透镜组成新的凸透镜,焦距拉长了,比如说达到5~6毫米,这时,通过透镜就看到了照片。

杯底硬币

操作难度:★

实验方法:

将一枚硬币投入装水的玻璃杯。你先把头摆正,用双眼看,就会感到硬币处在与它的实际深度不相符的地方。你所看到的硬币的水平距离是不是也发生了变化?

如果你用一只眼睛看,情况是不是一样?为什么?

知识延伸:

杯底硬币发出的光线射出水面时,在水和空气的分界上发生折射,折射线偏离原来射出的方向而靠近水面。观察者感觉到的物体位置,是进入双眼的两束光线的交点。因此,你会误认为光线是在比实物高的某一位置发出来。

用一只眼看时,只要方才两眼处于相同高度,情况一样。但是,如果把头向左或向右偏转一个角度进行观察时,则你所感觉到物体的位置,不仅比实际位置高,而且还向你移近了一些。

当你选择某一合适的角度(从水面斜上方)去看装有硬币的玻璃杯时,在水面上可以看到硬币的像。如用干手紧贴玻璃杯外壁,则水面上的硬币没有什么变化;如果换一只湿手,则像就消失了。

这是怎么一回事?

原来,杯底硬币发出的光线,一部分在对面的杯壁上发生反射,而其中又有一部分改变方向向上,再在水面发生折射。这样,只要你选择到某一角度去观察硬币,就能在水面上看到硬币的像。

湿手紧贴玻璃杯外壁时,手和杯壁间隙被水填满。因为水的折射率和玻璃近乎相等,所以,硬币的光线几乎全部没有反射,在水面上也就看不到硬币的像,当干燥的手贴杯壁时,对于内部的影响很小,水面上仍有硬币像。

弯曲光线

操作难度:★

实验方法:

把糖块放到盛有很多水的玻璃容器中,不加搅拌,一股很细的强光束水平地射入容器后,被折向容器底,而后又从底面反射向上,不断地弯曲,最后又水平地射出容器侧壁。

光向来都是直线传播的,为什么会弯曲呢?

知识延伸:

原来,糖块放入水里后,一时来不及溶化。容器底部的糖块积得最多,折射率的改变自然也最大。这样,就造成深度不同折射率不等的情况。

细光束进入容器后,据折射定律可知,光线偏折向下。由于折射率随深度变大,故而越往下,光线弯曲得越厉害。当光线抵达底部后,又被反射向上,再次不断地被弯曲,但是弯曲得越来越慢。

大家动手试一试,这个实验很简单,怪有趣的,不是吗?

有色的霜

操作难度:★★

实验方法:

在寒冷的冬天,窗户上常有霜。霜是水的结晶体组成的。如果在窗台上有一个霜溶化后形成的小水坑。当你注视水坑时,会发现水坑上玻璃窗霜图案的映像居然有颜色。冰晶体仍是无色的,请问,它在水中的像会有色吗?

为了看见玻璃窗上霜的颜色,你可在被霜覆盖的玻璃两边各放一块偏振片。为什么这样就能看见颜色呢?

知识延伸:

之所以会出现上述情况,是因为冰是一种双折射材料。大家知道,双折射材料中有一个快轴和一个慢轴。如果光平行于慢轴偏振,则折射率较高;如果光平行于快轴偏振,则折射率较低。当射出的光线碰到一块偏振片时,它能否穿过偏振光,这是由光的偏振轴和滤光片的偏振轴的相对取向决定的。

双折射材料对光偏振的影响取决于三个因素:沿快轴的折射率、材料的厚度和光的波长。如果让白光通过双折射材料及其两侧安放的滤光片,虽然白光是直接射入第一块偏振片的,但由于又透过第二块偏振滤光片,因而能看见的只是某些波长的光。如果转动两块偏振片或双折射材料,则从第二块滤光片发出的颜色会变化。

因此,在被霜覆盖的玻璃两侧各放一块偏振片时,所有具有合适厚度的取向的晶体都会引起颜色的变化。不过,光轴和视线平行的晶体不会产生颜色,因为这一晶体不会发生双折射现象。

通过水坑而不是通过偏振片,为什么也可看见霜的颜色呢?这是因为,从天空来的散射光可能发生强烈偏振。如这样的光照射窗子,就不需要用第一块偏振滤光片。若光通过霜,然后从水坑中反射,就能起到第二块偏振滤光片的作用,因为反射能引起偏振。

这样,当你注视窗台上霜溶化成的水坑时,就能看见水坑上方玻璃窗上的霜抹上了色彩。

热咖啡

操作难度:★★

实验方法:

当阳光几乎水平地照射满杯的热咖啡时,咖啡表面呈现出以暗线为轮廓,看上去灰蒙蒙的一些多边形,这种图案也能在其他蒸发着的流体中,以及在大气流和海洋环流中见到。

这种几何图案是怎样产生的?

知识延伸:

咖啡杯里的图案,是由热水从杯底上升到表面,冷却后又回到底部的环流形成的。在上升的热水上面,有凝结的小水滴被液体表面的蒸汽压支托着。

因为液面的蒸汽压不能支托大水滴,而较小的水滴又会迅速蒸发,所以在液面上蒸汽压所能支托的水滴大小,基本上是一致的。在下降的冷水区域上,则没有这样悬浮着的水滴,所以呈现清晰的表面,由于咖啡是暗色的,所以这些区域也是暗色的。我们在液面上见到的是上升的热水区域上的水滴的斑纹。

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