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【物理素材】魔幻的光【六】  

2014-11-23 06:33:38|  分类: 物理教学素材 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【物理素材】魔幻的光【六】




 

 

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【物理素材】魔幻的光【六】






佛光与蜃景
陕西省宝鸡市陈仓区香泉初中 邢 星






佛光和蜃景,都是在特定气候与光照条件下发生的大气光学现象。

 

1.蜃景及其形成

 

有时,在沙漠上空或海面上空,人们会看到地面景物的像,这便是蜃景。

 

要了解蜃景的形成,应先了解光的全反射。

 

当光线在同一密度的均匀介质内传播的时候,光的速度不变,沿直线的传播,可是当光线倾斜地由一种介质进入另一密度不同的介质时,光的速度就会发生改变,传播的方向也发生改变,将不再沿原来的方向传播而发生曲折,这就是光的折射。用一根直杆倾斜地插入水中时,可以看到杆在水下部分与它露在水上的部分好像折断的一般,这就是光线折射所造成的。若使光线从水里投射到水和空气的交界面上,光线在这个交界面上分两部分:一部分反射到水里,一部分折射到空气中去。如果逐渐增大由水中斜射向交界面的光线的入射角,光线在空气中的折射现象就会越来越明显。但当入射角增大到一定程度时,光线就全部反射到水里,光线不在进入空气中,这样的现象时光的全反射。

 

【物理素材】魔幻的光(六) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

蜃景的形成,是由于地面景物反射向天空的光线,在传播过程中发生全反射造成的。

 

海市蜃楼示意图

 

蜃景的产生,与地理位置、地球物理条件以及那些地方在特定时间的气象特点有密切联系。从光的传播看,蜃景的出现是光的全反射造成的,而气温的反常引起不同层面空气密度不同,则是光线全反射,形成蜃景形成的气象条件。

 

夏季沙漠中烈日当头,沙土被晒得灼热,因沙土的比热小,温度上升极快,沙土附近的下层空气温度上升得很高,而上层空气的温度仍然很低,这样就形成了气温的反常分布,由于热胀冷缩,接近沙土的下层热空气密度小而上层冷空气的密度大,这样各层空气对由地面斜射向高空的光线的折射程度不同。当远处较高物体反射出来的光,从上层较密空气进入下层较疏空气时被不断折射,其入射角逐渐增大,增大到一定值时发生全反射,这时,人要是逆着反射光线看去,就会看到蜃。

 

沙漠里的海市蜃楼奇景

 

柏油马路因路面颜色深,夏天在灼热阳光下吸收能力强,同样会在路面上空形成上层的空气冷、密度大,而下层空气热、密度小的分布特征,所以也会形成蜃。

 

【物理素材】魔幻的光(六) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

在海面或江面上,有时也会出现蜃景,人们称其为“海市蜃楼”。

 

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2.我国史料记载的几次蜃景

 

公元1624年7月6日(明天启四年五月二十一日),登州海面上发生了历时七个多小时的海市蜃楼,当时即将离任的登莱巡抚袁可立目睹了整个过程,心情十分激动,一首《海市诗》详实地将当时的盛况记录下来。1933年5月22日上午11点多钟,青岛前海(胶州湾外口)竹岔岛上也曾发现过上现蜃景,一时轰传全市,很多人前往观看。1975年在广东省附近的海面上,曾出现一次延续6小时的上现蜃景。

 

夏季,不但可在海面上可以看到上现蜃景,在江面有时也可看到,1934年8月2日在南通附近的江面上就出现过。那天酷日当空,天气特别热,午后,突然发现长江上空映现出楼台城廓和树木房屋,全部蜃景长20多里。约半小时后,向东移动,突然消逝。后又出现三山,高耸入云,中间一山,很像香炉;又隔了半小时,才全部消失。

 

3.佛光的形状及色彩

 

太阳斜射的时候,背对太阳站在山顶的人,顺着太阳光的方向看去,群山之间,出现类似佛像的黑影,黑影的头部周围是五色祥云形成的圆圈,这就是佛光,彩色光圈中的黑影,其实就是观察者自己的影子。

 

佛光发生在白天,产生的条件是太阳光、云雾和特殊的地形。早晨太阳从东方升起,佛光在西边出现,上午佛光均在西方;下午,太阳移到西边,佛光则出现在东边;中午,太阳垂直照射,则没有佛光。只有当太阳、人体与云雾处在一条倾斜的直线上时,才能产生佛光。它是太阳光与云雾中的水滴经过衍射作用而产生的。如果观看处是一个孤立的制高点,那么在相同的条件下,佛光出现的次数要多些。

 

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佛光由外到里,按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的次序排列,直径约2米左右。有时阳光强烈,云雾浓且弥漫较宽时,则会在小佛光外面形成一个同心大半圆佛光,直径达20-80米,虽然色彩不明显,但光环却分外显现。”“佛光”中的人影,是太阳光照射人体在云层上的投影,即观察者本人的影子,观看“佛光”的人举手、挥手,佛光中的人影也会举手、挥手,此即“云成五彩奇光,人人影在中藏”,神奇而瑰丽。

 

佛光出现时间的长短,取决于阳光是否被云雾遮盖和云雾是否稳定。如果出现浮云蔽日或云雾流走,“佛光”即会消失。一般“佛光”出现的时间为半小时至一小时。而云雾的流动,促使佛光改变位置;阳光的强弱,使“佛光”时有时无。“佛光”彩环的大小则同水滴雾珠的大小有关:水滴越小,环越大;反之,环越小。

 

4.佛光的形成原因

 

关于佛光成因,比蜃景要复杂得多,目前,有“复杂散射”学说,也有“先反射,后衍射”学说,还有“先衍射,后反射”学说,不一而足。由于存在一些缺陷,至今尚有争议。用光学的知识解释,就是光源(通常为太阳光)从观察者身后射来,在穿过无数组前后两个薄层的云雾滴时,其间的前一个云雾滴层对入射阳光产生分光作用,后一个云雾滴层则对被分离出的彩色光产生反射作用。反射光向太阳一侧散开或汇聚,任一个迎接那些汇聚而来的光线的着眼点(即站在太阳和云雾之间的人),都可见到略有差异的佛光。只要光照较强,云雾滴半径较小,大小均一,一般都可见到多个光环明亮程度不同,但色彩排列顺序相同的“佛光”,一般都为4圈,因最外层的第4个光环圈光强过弱,通常情况下即使出现,人眼亦难于分辨。

 

5.佛光容易出现的地点

 

在中国的峨眉山、黄山、泰山、庐山等地,在德国的布罗肯山,英国的维尼斯山,常能欣赏到“佛光”的风采。其实,若乘飞机在云彩上飞行,遇上好的天气,眼睛注视飞机影子落在云上的地方或方向,人们几乎随时都可看到“佛光”的呈现。







牛顿用棱镜分解太阳光
江苏丰县初级中学 刘庆贺






牛顿,1642年出生在英国,是世界近代科学技术史上伟大的物理学家、天文学家和数学家。他一生中,不仅在经典力学研究上作出了卓越的贡献,是经典力学的奠基者。而且在热学、光学、天文、数学等方面都作出了卓越的贡献。牛顿一生中曾花费不少精力从事光学方面的研究,并取得了许多出色的成就。牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。他一个人独立完成的用棱镜分解太阳光实验被评为“十大最美物理实验”之一。

 

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当白光通过无色玻璃和各种宝石的碎片时,就会形成鲜艳的各种颜色的光,这一事实早在牛顿的几个世纪之前人们就已有了解。当时大家都认为白色是一种再纯不过的光,而平常我们所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光,是不纯净的,这种结论直到17世纪大家对这一种结论坚信不移,直到十七世纪中叶以后,牛顿通过实验研究了这个问题,完全颠覆了人们对光的颜色的认识。

 

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牛顿的实验是这样做的:把一间屋的所有窗户、门等透光的地方用厚实的布遮挡起来,屋子里什么也看不见,这就制造了一个暗室。在暗室向太阳的一扇窗上开一个小孔,让一束窄的太阳光通过这个小孔进入室内,在光束经过的路径上放一块三角形的玻璃棱镜,如图1所示。小洞对面的墙上就会观察到一个由各种颜色的圆斑组成的像,颜色的排列是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,偏离最大的一端是紫光,偏离最小的一端是红光。牛顿把这个颜色光斑叫做光谱。他在著作中记载道:“1666年初,我做了一个三角形的玻璃棱柱镜,利用它来研究光的颜色。为此,我把房间里弄成漆墨的,在窗户上做一个小孔,让适量的日光射进来。我又把棱镜放在光的入口处,使折射的光能够射到对面的墙上去,当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时,使我感到极大的愉快。”牛顿为了解释三棱镜实验中白光的分解现象,认为白光是由各种不同颜色光组成的,玻璃对各种色光的折射本领不同,当白光通过棱镜时,各色光以不同角度折射,结果就被分开成颜色光谱.白光通过棱镜时,向棱镜的底边偏折,紫光偏折最大,红光偏折最小。棱镜使白光分开成各种色光的现象叫做光的色散。严格地说,光谱中有很多各种颜色的细线,它们都及平滑地融在相邻的细线里,以至使人觉察不到它的界限。

 

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但是光凭这个实验还不足以令人信服地证明白光(太阳光)具有复杂的成份,并可以分解为单一颜色光。因为牛顿之前的人们对这个实验一直有另一种解释,即认为白光通过棱镜后之所以变成依次排列的各种光,并不是白光本身具有复杂成份的缘故,而是白光与棱镜相互作用的结果。为此,牛顿又设计了另一个实验,牛顿把这个实验称为“判决性实验”,即在玻璃三棱镜后面放一张白纸AB作为光屏(如图2),在这张白纸上再开一个小孔,让透过这个小孔的光线再经过第二个玻璃三棱镜,并在它后面放一个新的白纸CD。他设想:若白光通过棱镜变成各种颜色的光是由于白光与棱镜相互作用的结果,那么,第二个棱镜还会与这些光再发生作用而改变这些光的颜色。但实验表明,第二个棱镜只是把这束光整个地偏转一定的角度,并不改变光的颜色。牛顿转动第一个棱镜,使光谱中不同颜色的光先后依次通过白纸AB上的小孔,在所有这些情形下,这些不同颜色的光并不能被第二个棱镜再次分解,都只是偏转了一定的角度,并且对于不同颜色的光的偏转角度也不同。如让第一个屏上的黄光透过小孔射到第二个棱镜上,则屏CD上可看到有两条明亮的黄线组成,但不论把这两条黄线分开到何等程度,都不能改变它们的颜色。通过这些实验,牛顿得出结论:白光能分解成不同颜色的光,这些光已是单色的了,棱镜不能再分解它们。

 

为了进一步证明白光是由各种颜色的单色光组合而成的,牛顿还做了一个实验,他用棱镜将白光束分解为光谱后,再通过另一个顶角较大的倒置棱镜(如图3);他设想,由于第二个棱镜顶角较大,使不同色光的偏折大于第一个棱镜,所以不同色光又会会聚起来,在第二个棱镜后面的某一区域交汇,如在这区域内置一屏幕,则屏幕上将会重现出白光。实验现象与预想的完全一致,从而证实了白光的确具有复杂的成份,并能分解成不同颜色的单色光。而棱镜不能再分解它们,且每一种颜色的光都有自己确定的折射率。

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牛顿指出,还可以用另一种方法把色光重新复合为白光。把光谱画在圆盘上成扇形,然后高速旋转这个圆盘,圆盘就呈现白色。这种实验效果一般称为“视觉暂留效应”。眼睛视网膜上所成的像消失后,大脑还可以把印象保留零点几秒种。从而,大脑可将迅速变化的色像复合在一起,就形成一个静止的白色像。在电视屏幕上或电影屏幕上,我们能够看到连续的图像,其原因也正在于利用了人的“视觉暂留效应”。

 

通过上述实验,牛顿为光的色散理论奠定了基础,并使人们对颜色的解释摆脱了主观视觉印象,从而走上了与客观量度相联系的科学轨道。同时,这一实验开创了光谱学研究的先端,不久,光谱分析就成为光学和物质结构研究的主要手段。







《墨经》中的光学成就
内蒙古通辽市奈曼旗苇莲苏学区中心校 赵洪伟






墨子》是我国战国时期墨家著作的总集,是墨翟(人称墨子)和他的弟子们写的。《墨经》是《墨子》书中的重要部分,墨经虽然篇幅很短,但在中国甚至世界科学史上是一颗璀璨的明珠。《墨经》中记载的八条光学现象(《经下》和《经说下》各八条,称为墨经光学八条),反映了春秋战国时期我国光学的重大成就。

 

《墨经》中首先研究了光的反射。《经说》:“景:日之光,反烛人,则景在日与人之间”。通常日光照人之影在来光方向的另一侧,但若日光经平面镜反射之后再照人体,则影落在太阳与人体之间了。《墨经》还研究了平面镜成像。《经下》:“二临鉴而立,景到”这里的“鉴”指平面铜镜,意思是说二人若俯临镜子站着(平面镜水平放置),则所成之像是头部朝下颠倒的。《经说》还描述了平面镜成像的各种情况:“临,正鉴,景寡、貌能、白黑,远近柂正,异于光。鉴、景当俱就,远近去尒当俱,俱用北。鉴者之臭无数,而必过正。故同体处其体俱,然鉴分。”

 

《墨经》还说明了影的成因,认为影是乃光照不及所致,《经说》:“景,光至,景亡;若在,尽古息。”不仅如此,还讨论了直立木杆在光源照射之下,投在地面的影子的长度大小的变化规律。《经说下》:“景,木柂,景短大。木正,景长小。大小于木,则景大于木。非独小也,远近。”

 

《墨经》记载了世界上最早的针(小)孔成像实验,《经下》18条:“景到(倒),在午有端,与景长,说在端”,此处“景”即影或像,“到”即倒,“午”指遮光屏,“端”即小孔。这句话的意思是,物体的影或像所以倒转,是由于屏上有一点状小孔,入射光线在孔中相交的缘故。《经说下》还就倒像的形成机理作了说明:“景,光之人煦若射。下者之人也高,高者之人也下。足敝下光,故景障内也。”这句话的意思是:“影,光线照人,如果反射,其直若矢。射到下面就反射到高处,射到高处就反射到下面,因成倒影。足遮住下面的光,反射出来成影在上;头遮住上面的光,反射出来成影在下。在物的远处或近处有一小孔,物体为光的直线所射,反映于壁上,故影倒立于屏内。”

 

《墨经》中记录了凹面镜成像的两种情况。《经下》云:“鉴洼,景(影)一小而易,一大而正,说在中之外、内。”这里“中”指凹面镜的中心和焦点之间的一段空间。当人从远处向凹面镜走来,在球心之外时,见到自己缩小的倒像;走在球心和焦点之间,因像在人的背后,故无所见;过了焦点又见到自己放大的正像。这种观察是以人体、人目代替今人用灯烛、白屏的实验方法。《经下》23条记述了凸面镜成像的实验:“鉴团,景一,说在刑之大。”《经说》:“鉴者近,则所鉴大,景亦大;其远,所鉴小,景亦小;而必正……”这说的是凸面镜成像仅有的一种情况:物体放在镜前无论距离远所,都在镜后生成正立缩小的虚像。但像的缩小尺度却与物体的位置有关,物体靠近镜时像相对大些,远离镜时像就小些,但都是正立像。













 

 

 


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