神奇的光學(上)(2 / 3)

平靜的湖泊表麵在日光掠入射的條件下,像鏡子一樣亮就是這個道理。那麼,黑色塑料板為什麼也會像鏡子一樣反射呢?當入射角不大時,黑色塑料板表麵反射回來的光強度隻占入射光強度的百分之幾,絕大部分入射光的能量被吸收了,所以呈現黑色;當呈掠入射時,黑色塑料板表麵反射回來的光強度幾乎與入射光強度相等,被塑料板吸收的光能量微乎其微,因此黑色塑料板也像鏡子一樣亮。

酒杯的彩蝶也會翩翩起舞

我國有出古戲叫《遊龜山》,劇中男主人公贈給女主人公的定情物,是一隻具有特殊功能的杯子,當斟酒入杯,見有彩蝶飛舞,而當酒盡杯空,彩蝶也就不見了。這隻杯子實在奇妙,所以戲名也就改叫《蝴蝶杯》了。這種杯子,並非文人、劇作家的虛構。幾年前,山西省侯馬市還仿製成功了。有的用美人頭代替蝴蝶,製成“美人杯”,深受人們的喜歡。

這種杯的杯身比較深,猶如一隻反口金鈴安在高高的杯腳之上。在杯底中心嵌入一個凸透鏡,在杯腳裏麵的某一點上,以極細的彈簧掛上一隻彩色小蝴蝶(或小金魚),使它位於凸透鏡的焦點之外而接近焦點。當往杯裏斟酒或水時,酒(或水)與凸透鏡上表麵形成一個平凹透鏡,這個平凹透鏡與凸透鏡組合成複合透鏡,它的焦距大於凸透鏡的焦距。

要揭開蝴蝶杯之謎,我們從放大鏡(凸透鏡)的成像說起。用放大鏡看書,當文字位於放大鏡焦點之內時,放大鏡將文字形成一個放大的虛像(位於放大鏡下方),眼睛通過透鏡看文字的虛像,這時虛像到眼睛的距離為25厘米,看起來最清楚,稱之為明視距離。把放大鏡往眼睛這側移動,移到某個位置之後,便看不見文字了,此刻文字位於放大鏡的焦點之外而小於兩倍的焦距,將形成文字的放大實像,實像位於放大鏡上方(與眼睛同側),由於像不在明視距離上,所以看不見文字。蝴蝶杯的成像與此相仿。空杯時,蝴蝶位於凸透鏡焦點之外而接近焦點,所以看不見它。斟酒(或水)入杯之後,由於複合透鏡的焦距變長了,使得蝴蝶位於焦點之內,因此能看見蝴蝶。將杯子拿在手中,細彈簧上的小蝴蝶總會有微小的顫動,它的放大像便翩翩起舞了。

貓的眼睛在夜間能發光

你喜歡貓嗎?它那溫馴的脾氣,矯健而又敏捷的身姿曾給人們帶來無限的樂趣。特別是它那圓圓的大眼睛,在昏暗的夜色中閃爍著熠熠的光芒,給人們帶來許多美麗的遐想。然而你曾想過貓眼為什麼會發光嗎?

視覺研究表明:貓眼的瞳孔在夜晚開得最大,以便盡可能多地收集夜間微弱的光線。貓眼的視網膜後麵還有一層可以反光的特殊薄膜,稱為反光組織。它可以把進入貓眼未被視網膜吸收的光線反射回去,重新為視細胞所吸收,從而增強了貓眼的視功能。部分光線反射出貓眼,於是人們就感覺到貓眼在發光。

自古以來,人類就被生物界的奧秘所吸引。人們無比羨慕生物體結構的精巧,讚歎機體機能的奇異,一直幻想著能製造出生物係統機能和結構特征的儀器設備,促進人造技術係統的發展,這就是仿生科學。人們受鳥兒能在天空中翱翔的啟發,發明了飛機;受魚兒能在水中遊動的啟發,發明了輪船等等。那麼,神奇的貓眼反光組織又促使人們發現了什麼呢?這就是後向反射現象。貓眼的後向反射材料是由球透鏡和反光層組成的,從而製造出了各種後向反射材料。目前在國際市場上已經出現了三種不同的後向反射材料,即圍欄型、膠囊型和錐角型後向反射材料。反光標誌燈屬於錐角型後向反射材料,而道路反光標誌則屬於膠囊型後向反射材料。

後向反射與漫反射、鏡麵反射不同。後向反射材料向後反射的光線方向基本上平行於入射光的方向,但傳播方向與入射光線方向相反。漫反射是粗糙表麵(如白紙、牆壁等)的反射屬性,當光照射到粗糙表麵時,反射光線的方向是四麵八方的,稱為漫反射。鏡麵反射是指反射光線與入射光線的方向滿足反射定律,光滑的表麵都產生鏡麵反射。

在白天,後向反射材料除了有照明方向的後向反射光之外,還有由日光和天空光的漫反射光,後向反射光並不占優勢,因此,後向反射材料看上去就與普通漫射材料沒有什麼兩樣。但是,在夜間,照明方向的後向反射光占優勢,後向反射材料在照明下就呈現出十分明亮的光輝。

球形魚缸內金魚自己會變形

你喜歡養魚嗎?如果你用球形魚缸養金魚,小魚在缸內遊動時,你會看到魚兒千姿百態,形象失真,一會兒變長了,一會兒又變粗了,一會兒變得越來越大,一會兒遊速越來越快。這是為什麼呢?

在球形魚缸裏倒入水之後,由於水的折射率約為1.33,而空氣的折射率約為1,缸內、缸外的折射率不同,所以構成了球麵折射麵。根據折射球麵的成像原理,小魚在一般位置上,因垂軸放大率和軸向放大率不同,小魚的表現形態就發生了變化。當小魚遊到某個位置時,如果垂軸放大率大於軸向放大率,小魚就變得短而粗;當小魚遊到另外一位置時,軸向放大率大於垂軸放大率,這時,小魚就變得細而長;隻有小魚遊到球形魚缸中心附近時,垂軸放大率和軸向放大率相等,小魚以同樣的倍數放大,人們才能看到放大的、不失真的小魚。那麼,小魚速度的變化又是怎麼回事呢?假設小魚勻速遊動,由於不同位置,小魚的軸向放大倍率不同,所以在單位時間內小魚遊動的表現距離也不同,也就是小魚遊動的速度有快有慢。這就是球形魚缸內遊魚形態和速度變化的光學原理。

神奇的夜光玉

古代魏國人田父有,在荒山中采得一塊原玉,直徑一尺(約0.33米),但是尚不能確定是不是寶玉。他把這件事告訴鄰居某人,鄰居欺騙他說:“這是一塊怪石,藏在家裏是不吉利的。”田父有雖然覺得疑惑,但是仍舊把原玉放在廳堂邊的廊屋裏。當天晚上,他們看到原玉會自己發光,把屋內照亮了。一家人看到原玉的奇異放光現象,感到很恐懼,結果就把它丟棄於荒野。鄰居拾取了這塊原玉,獻給魏王。經過玉工的識別,這確實是一塊無價之寶。魏王就賜給獻寶者千金,並且封他做上大夫的官。這段故事的原文記載於《太平禦覽》。