铅笔盒中的文具与物理实验 | ||||||||||||||||||||
河北省冀州市北内漳学校 李同心 | ||||||||||||||||||||
| 铅笔盒里文具一般有：直尺（塑料尺或钢皮尺）、铅笔（或细铅笔芯）、圆珠笔、钢笔、橡皮、三角板、圆规等。 不同的文具可以做不同的实验，同一文具可以做许多实验，下面举一些例子加以说明： （一）用直尺做实验 1．测物体的长度：这个实验做的较多，且方法比较简单，这里就不再介绍了。 2．有关声学方面的实验，可列表说明：
3．有关电学方面的实验： ①带电体的性质：将塑料尺在头发上摩擦几下，再将塑料尺靠近纸屑，发现它能吸引纸屑。说明带电体能够吸引轻小物体。 ②导体和绝缘体：教师可以用钢皮尺和塑料尺做演示实验时，发现钢皮尺容易导电，而塑料尺不容易导电，继而得出导体和绝缘体的概念。 4．有关力学方面的实验： ①力的作用效果：用手握住直尺的一端，用力拉直尺的另一端，发现直尺变弯了。说明力能使物体发生形变。 ②密度的知识：拈一拈长短、形状相似的钢皮尺和塑料尺，发现钢皮尺较重。说明钢的密度比塑料的大。 ③杠杆的知识：让学生用直尺来撬铅笔盒（可用橡皮作支点）。能说明杠杆的支点、动力、阻力等要素以及有关的知识。 5．有关热学方面的实验： ①晶体和非晶体：教师在讲清概念后，让学生说出钢皮尺是由晶体钢制成的，而塑料尺是由非晶体塑料制成的。 ②改变物体的内能：让学生用钢皮尺在桌面上来回摩擦一段时间，再用手摸下被摩擦的一端，发现温度升高了，说明做功可以改变物体的内能。 （二）用铅笔做实验 1．导体和绝缘体：铅笔是由导体和绝缘体两部分组成的，也可以用实验加以验证。 2．有关摩擦知识：先让学生用手直接推铅笔盒，然后在铅笔盒下面放一些铅笔再推，发现第二次要比第一次省力。说明在相同情况下，滚动摩擦比滑动摩擦小得多。另外用铅笔写字时，笔尖与纸之间的摩擦是滑动摩擦；而用圆珠笔写时，笔尖与纸之间的摩擦是滚动摩擦。 3．决定电阻大小的因素：教师可用学生常用的铅笔芯（取长度和粗细不同的）代替电阻丝来做这个实验时。同样可以得到电阻的大小与导体的长度和横截面积有关。 4．测细铜丝的直径：将细铜丝密绕在铅笔上，测出几十匝细铜丝的长度，再算出细铜丝的直径。 （三）用铅笔盒做实验 1．物体的惯性：将一张纸条放在铅笔盒下，迅速抽动纸条，发现铅笔盒保持不动；或把一块橡皮竖直放在铅笔盒上，突然拉动铅笔盒，发现橡皮向后倒；或慢慢拉动铅笔盒一定的距离后突然停止，发现橡皮向前倒，这些都能说明有关惯性的知识。 2．物体的浮沉条件：将空的铅笔盒放在水里不会下沉，而将一把小刀放在水里会沉入水底，进而说明有关物体的浮沉条件。 （四）用其它文具做实验 如用圆规和直尺，可测量曲线的长度；钢笔吸墨水说明大气压的作用；铅笔盒里的工具中哪些是导体？哪些是绝缘体？钢皮尺、圆规等虽然形状不同，但它们都是由钢制成的，因而密度是相等的；新铅笔盒的底面可用作平面镜等等。 从上面例子看出，铅笔盒就是一个实验箱，许多实验所需的器材可以从中找到。通过实验，促进对知识的理解和运用，体会物理与生活的联系，进一步提高学生乐于探究生活中物理现象的兴趣。 |
谁先听到歌声？ |
茹自青 |
| 在一次物理课上，老师向同学们提出了这样一个问题：听众甲坐在北京音乐厅里，离演员17米，直接听演员演唱；听众乙在远离北京约120千米的天津，在收音机旁听现场转播。问甲乙二人谁先听到歌声？ “甲先听到！”小虎不加思考地抢答道，“因为甲就在现场直接听演唱。” “应该是乙先听到。”经过一番运算以后小明回答说。 老师：“小明，你能讲讲为什么吗？” 小明：“声音在空气里的传播速度约为340米／秒，甲听到歌声需要的时间  。电磁波的传播速度和光的传播速度一样，都是3×105千米／秒，从北京传到天津用的时间 。所以是乙先听到歌声。”老师高兴地说：“小明同学答得很好，咱们应当学会用已经掌握的知识来解答问题。现在我给大家留一个家庭作业：实际估计某一次闪电发生的地方离你有多远。” 后来，在一次雷雨天里，同学们紧张地看着手表，等待着闪电的到来。他们通过实际估算，都很有体会和兴趣。这次，小虎也不再想当然了，他做得很认真，还受到了老师的表扬。你知道他们是用什么方法估测的吗？ |
电子琴发音的三个为什么 |
茹自青 |
电子琴是一种现代乐器。用它既可以演奏不同的曲调，又可以发出强弱不同的声音，还可以模仿二胡、笛子、钢琴、黑管以及锣鼓等不同乐器的声音。所以说，电子琴不愧为一种“万能”的新式乐器。 大家知道，当物体振动时，能够发出声音。振动的频率不同，声音的音调就不同。在电子琴里，虽然没有振动的弦、簧，管等物体，却有许多特殊的电装置，每个电装置一工作，就会使喇叭发出一定频率的声音。当我们按动某个琴键时，就会使与它对应的电装置工作，从而使喇叭发出某种音调的声音。 为什么转动音量控制旋扭时，电子琴发声的响度就会变化呢？ 电子琴的音量控制器，实质上是一个可调电阻器。当转动音量控制器旋扭时，可调电阻器的电阻就随着变化。电阻大小的变化，又会引起喇叭声音强弱的变化。 为什么电子琴可以模仿不同乐器的声音呢？ 用二胡和笛子演奏同一曲调，即使声音的大小相同，但我们一听，就会分出哪个是二胡的声音，哪个是笛子的声音。这是因为它们发出声音的音品不同。当乐器发声时，除了发出某一频率的声音──基音以外，还会发出响度较小、频率加倍的辅助音──谐音。我们听到的乐器的声音是它发出的基音和谐音混合而成的。不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数目不同，而且各谐音的响度也不同。因而使不同的乐器具有不同的音品。在电子琴里。除了有与基音对应的电装置外，还有与许多谐音对应的电装置，适当地选择不同的谐音电装置，就可以模仿出不同乐器的声音来。 |
天坛公园的“声学三奇” |
茹自青 |
| 北京的天坛，始建于1420年，原来为明清两代帝王祭天祈谷的场所，现在是供人民游览的公园。天坛公园的建筑独特，结构精巧，吸引着不少中外游客。特别是人称“声学三奇”的回音壁、三音石和圜丘，更使游人终生难忘。 回音壁（图2－2）位于天坛公园的中心稍偏南，它是皇穹宇四周的围墙。回音壁表面磨砖密砌，整齐平滑，是声波很好的反射面。一个人在回音壁内侧对着墙低声说话，由于声波经回音壁内表面多次反射（图2－3），另一人站在回音壁内侧的任意位置，都能清楚地听到说话声，而且几乎和面对面谈话一样。    |
曲调和音程 | ||||||||||||||||
茹自青 | ||||||||||||||||
唱歌时，人们常常说这个歌曲是“C调”，那个歌曲是“D调”。但是你知道曲调是由什么决定的吗？原来。音调是曲声源的振动频率决定的。声源的振动频率越大，音调越高；振动频率越小，音调越低。不同曲调的第一个音“1（do）”，具有不同的频率。如C调的“1（do）”，振动频率为256赫，D调的“1（do）”，振动频率为288赫，其他各调的“1（do）”的频率见表一：
曲调中除了首音“1（do）”以外，依次序还有“2（re）”、“3（mi）”、“4（fa）”、“5（sol）”、“6（la）”、“7（si）”，一共七个音，这七个音叫一个音阶。它们虽然各有各的频率，但是在频率上却都跟首音“1”有着严格的比例关系。一个音和另一个音之间的这个比叫做“音程”。 每个曲调的首音“1”，都有确定的频率，根据首音的频率和各音对首音的音程，就可确定其他各音的频率。由上面两表还可以看出：C调“2”的频率等于D调“1”的频率；C调“3”的频率等于E调“1”的频率，以下可以依此类推。 我国是一个文明古国，在音乐理论方面也有悠久的历史。就以音程来说吧，西洋音阶中的七个音是公元前600年左右由希腊的比达哥拉斯提出的，我国的七音说，早在公元前12世纪的商周之际就有了。 |
假爆裂 |
飞行物体和它所发出的声间之间在速度上的竞赛，有时候会使我们不由自己地作出错误的，跟实际现象完全不同的结论。 高高地在我们头上掠过的流星或炮弹就是有趣的例子。从宇宙空间进人地球大气的流星，有非常高的速度。虽然大气的阻力已经把它的速度减慢了，但是，它还是比声音的速度高几十倍。  流星划破空气的时候，往往要发出一种类似雷声的噪音。设想我们是在C点（图298），而在我们上面有一颗流星在沿着AB线飞行。流星在A点发出的声音，只有在流星本身已经飞到B点的时候，才能来到我们的耳朵（在C点）。因为流星的飞行速度要比声音的速度快得多，所以它能够来得及达到某一个点D，并使在这个点上发出的声音比它从A点发出的声音更早到达我们的耳朵。因此我们先听到的是从D点来的声音，然后才听到从A点来的声音。又因为B点来的声音也比D点来的声音到达得更迟，所以在我们头顶上某处应当有这样一点K，从这一点上，流星发出的声音应当最早到达我们的耳朵。爱好数学的人如果知道流星的速度跟声音速度的比，就能够计算出这个点的位置来。 于是我们就得到这样的结果：我们所听到的和我们所看到的完全不一样。在我们的眼睛里，流星首先出现在A点上，接着就从这一点沿着AB线飞行。可是对我们的耳朵说来，流星却首先出现在我们头顶上某一点K上，然后我们同时听见两个声音，分向两个相反的方向前进，越来越小下去。这两个方向，一个是从K到A，一个是从K到B。换句话说，我们好像听见这颗流星已经爆裂成了两部分，分向两个相反的方向飞去。而在实际上，并没有发生爆裂这回事。请看我们的听觉受到了怎样的欺骗啊！所以许多人说他们亲眼看到过流星爆裂，也许正是由于这种听觉的错觉。 |
声音的镜子 |
树林，高院墙，大建筑物，高山，总之，一切反射回声的障碍物，都可以说是声音的镜子；这些东西反射声音的情形，跟平面镜反射光线的情形相同。  这种声音的镜子不但有平面的，还有曲面的。凹面的声音的镜子作用跟反射镜一样，会把“声线”聚集在它的焦点上。 你只要找两只盘子来，就可以做一个有趣的实验。请把一只盘子放在桌子上，把你的怀表用手拿在离这只假如表、耳朵和盘子的位置都选得正确（在几次试验以后就会成功），你会听到表的滴答声仿佛是从头旁边的盘子上发出的一样。假如你把眼睛闭起来，这个错觉就会更加厉害，那时候，你就真的不可能单凭听觉来判断表究竟拿在哪一只手里──拿在左手还是右手里。  中世纪城堡的建筑师时常造出一些声音上的怪事，他们把半身人像安放在声音的凹面镜的焦点上，或者放在巧妙地隐藏在墙壁里的传声管的一端。图143是从16世纪一本古书上复制出来的，那儿可以看到上面所说的那些异想天开的装置：拱形的天花板把经过传声管从外面送进来的声音送到石膏像的嘴上；暗装在建筑物里的很大传声筒把院子里的各种声音送到大厅里的半身人像旁边，等等。走进这种房间里的客人，会觉得云母石的半身像好像会说话、唱歌一般。盘底几厘米高的地方，拿另外一只盘子侧放在头旁边耳朵附近，像图142。 |
从海底来的回声 |
人们有很长的一段时间，没有从回声得到一点好处，后来才想出一个方法，利用它来测量海洋的深度。这件发明是偶然得到的。1912年，一只很大的游船“泰坦尼克”号跟冰山相撞沉没了，几乎全部乘客遭了难。为了保证航行的安全，人们想在浓雾里或者夜里行船的时候，利用回声来发现前进路上有没有冰山。这个方法实际上并没有成功，但是引出了另外一个想法：利用声音从海底的反射来测量海洋的深度。这个想法已经取得成功。  图144是这种装置的简图。在船的一侧的底舱里靠近船底的地方有一个弹药包，在燃烧的时候发出剧烈的声响。这声波穿过水层到了海底，反射以后的回声折回到水面上来，由装在舱底的灵敏的仪器接收下来。一只准确的时钟计量出了声音从发出到回声到达相隔的时间。我们已经知道了声音在水里的速度，就很容易算出反射面的距离，换句话说，就是测出了海洋的深度。 这种测量海洋深度的装置叫做回声测深器，在测量海洋深度的工作上起着极大的作用。应用从前的测深器，只能在船只不动的时候测量，而且要花许多时间。那系着测锤的绳要通过轮盘垂下去，而且垂下得相当慢（每分钟约150米）；把它从海底提出来也是这么慢。因此，要测量3公里的深度，用这个方法就得花3刻钟。如果采用回声测深器，同样的测深工作只要几秒钟就完成了，而且测量的时候轮船仍旧可以照常行驶，所得到的结果也比用测锤的方法可靠得多，精确得多。最新的测深工作所得到的误差不超过1／4米（这时候时间的测量要精确到误差不超过1／3000秒）。 如果说深海的深度的精确测量对于海洋学有重大意义，那么，在浅水的地方进行又快又精确可靠的测深工作，对于航海是有真正帮助的，这可以保证航行安全：由于回声测深器的帮助，船只就能够大胆而且很快地向岸靠近。在现代的回声测深器里，已经不是用一般的声音，而是用非常强的“超声波”，是人的耳朵听不到的声音，它的频率大约每秒几百万次。这样的声音是由放在很快的交变电场里的石英片（压电石英）的振动产生的。 |
蟋蟀在哪里叫 |
一个发出声音的物体在哪里，我们时常容易弄错的，不是它的距离，而是它的方向。 我们的耳朵能够很好地辨别枪声是从左边发出的还是从右边发出的（图145）。但是假如这声源是在我们的正前方或者正后方，我们的耳朵就时常没有能力辨明声源的位置（图146）：正前方放出的枪声，听起来时常像是在后面发出的一样。  对这种情形，我们只能够根据声音的强度辨别枪声的远近。 下面是能够使我们学到许多东西的一个实验。叫随便哪一位蒙住眼睛坐在房间中央，请他安静地坐着不动，也不要把头转动。然后，你拿两枚硬币敲响起来，你所站的位置要总是在他的正前方或者正后方。现在请他说出敲响硬币的地方。他的答案会奇怪得简直叫你不相信：声音发生在房间的这一角，他却会指着完全相反的一角！ 假如你不是站在他的正前方或者正后方，那么错误就不会这么严重。这是很容易了解的：现在他离得比较近的那只耳朵已经可以比较先听到这个声音，而且听到的声音也比较大，因此他能够判定声音是从哪里发出的。 这个实验同时说明了为什么在草丛里很难找到蟋蟀的原因。蟋蟀的响亮声音从离你两步远的右边草丛里发出。你往那边看去，但是，什么也没有看到，而声音却已经变成从左边传来了。你把头转到那边去──但是声音又从第三个地点传来了。你的头向声音的方向转得越快，那位看不到的音乐家好像也跳得越机敏。事实上，这只蟋蟀却始终是在同一个地方；它的捉摸不到的“跳跃”，不过是你想象的结果，是听觉欺骗的结果罢了。你的错误就在于当你扭转头部的时候，恰好使蟋蟀的位置在你头部的正前方或者正后方。这样，我们就能知道为什么很容易弄错声音方向的原因：蟋蟀原来是在你的正前方，你却错误地认为它是在相反的方向上。 从这里可以得到一个实际的结论：假如你想知道蟋蟀的声音、杜鹃的歌声以及这一类远地方传来的声音从什么地方发出的，千万不要把面孔正对声音，而要相反地，把面孔侧对声音，让一个耳朵正对声音，即我们平常所说的“侧耳倾听”。 |
人耳听声的过程 |
顾达天 |
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人的发声 |
顾达天 |
人的发声器官在喉头，由声带、软骨韧带结构的支架、控制声带位置和张力的肌肉群组成。肌肉的活动由神经来支配。声带位于人体喉腔中部，是附着在内壁上的肌肉组织，并呈瓣状，表面覆以粘膜，具有一定的弹性，是发声器官的主要组成部分。两声带间的开口（矢状裂隙）为声门裂（俗称声门）。从气管经喉头、咽部至嘴和鼻孔的管道为声道，如图2－1所示。 |
鸟的发声 |
顾达天 |
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人耳 |
（顾达天 |
耳是听觉器官的统称，其结构如图2－3所示。人耳可分为外耳、中耳和内耳，连同各级听觉中枢记成了令人惊奇的听觉系统。听觉的机理，包括从声波的机械振动至电、化学、神经脉冲、中枢信息加工等一系列复杂过程。 |
鱼类的听觉 |
| 将要上钩的鱼，会被岸上的说话声或脚步声吓跑，也能被它们喜欢的声音吸引。表明鱼类不但能够听到声音，而且它的听觉还相当灵敏。 鱼的听觉有两套机构。在鱼体表面有一系列小的器官能听出低频的声音（200赫以下）和感觉出水流，通常这些细的感觉细胞包在鱼皮下面的细管内，而这些细管又形成一条体侧的线──侧线。侧线能感觉出近距离的水的流动和振动，还能判断扰动的方向和距离。鱼具有比较完善的内耳，作为声的接收器，声音可由头骨经骨传导，或由鳔传到内耳。有一些鱼，体内有一些小骨，把鱼鳔和内耳中的液体连接起来。在鱼听声的过程中鱼鳔是特别重要的，因为在水中整个鱼对于声几乎是透明的，只有鳔是声的反射体。经过实验，一般的鱼类可以听到500～600赫以下的声音，超过这个频率范围，鱼类听声的能力就很差了。 鱼对声的反应渔民们早已在捕鱼活动中利用了。印度尼西亚的渔民会站在水中口学鱼叫来引诱鱼群。我国广东、福建沿海渔民用大声敲击船板轰赶鱼群，使其集中一处进行捕捞。敲击声对大黄鱼影响很大，有些大黄鱼受刺激后，甚至会将鱼鳔吐出口外而亡。 |
超声探伤、测厚、测距、医学诊断和成像 |
在工业生产中常常运用超声透射法对产品进行无损探测（图2－5）。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收（图2－5甲）。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射（图2－5乙），这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。 |
超声处理 |
谢利民 |
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自制教具“三棱柱水槽” |
──主要用于光的折射知识引入 |
湖北省宜昌市六中 伍小明 |
| 光的折射现象在生活中很普遍，但一般跟我们的光路图还有比较远的差距，直接用光路图来解释不是很直观。由此，我制作了一个三棱柱水槽。该教具制作简单，使用方便，效果也很直接，具有很强的趣味性，能充分调动学生的学习积极性。当然它能演示的内容比较有限，我在教学中主要用来对光的折射现象引入。 该教具如下：  使用方法：在学习光的折射现象开始时，将该容器放置在教室的中间部位，高度要在学生平视时可以看到该容器的中下部位。先让同学们透过这个空水槽看自己对面的同学，并保持位置不动；随后，往容器中加水，让同学们再透过装有水的水槽看刚才的方向，同学们都会有新的发现。他们会发现对面的同学的位置发生了偏移，透过水槽看到了不在水槽后方的同学，旁边的同学你也看到了。由此引入光在传播过程中发生了偏折。而且在这儿可以很容易让学生记住此时光线传播的方向，强调我们看到一个物体是因为物体反射周围的光线（或发出的光线）进入我们人眼。最后也可以很好地对照这个实验画出相应的光路图。  1．水槽一定要做结实，外面最好还用透明胶再围上几圈，我在加水时，总担心这个水槽会散开来。 2．该水槽在放置时要放在平整的地方，如果不平整加水后底面容易破碎。 3．有的学生在水槽中有水时会观察到水槽内表面发生的镜面反射现象，教师要及时加以提示。 |
光与色的混合 |
山东省莒县店子集镇中心初级中学 常松东 |
| 义务教育课程标准实验教科书《物理》八年级上册第二章第五节“光的色散”中明确提出了光的三原色，而颜料的三原色只是给出混合图，具体什么颜色没有说明，要求学生自己去调查了解。学生调查的结果是：红、黄、蓝。我也请教过几位美术教师，他们的答案也是红、黄、蓝（当时参考书没有发下来）。幸好我多方查证，才没有教错。 事实上，光与色的混合除了色光的混合（也称加色混合）、颜料的混合（亦称为减色混合），还有一种叫视觉混色（也称中间混色）这是一种在视觉上形成的混色印象。 一、色光混合 色光的混合为加色混合，是光线的增加，两种色光混合，光度为两色之和，合色愈多，则光度愈强，愈近于白。其中品红与绿、黄与蓝、青与红，这些补色光混合和红与蓝、绿三原色光混合都成为白光。彩色电视机、彩色显示器、彩色液晶显示器，三基色日光灯管就是应用该原理而设计制作的。色光的三原色为红、绿、蓝。  格拉斯曼（H．Grassman）总结了加色混合的现象，叫做格拉斯曼颜色混合定律，有以下几点： （1）视觉只能辨别色彩的三种变化：明度、色相、纯度。 （2）两种光色组成的混合色中，如果一种色光发生变化，而另一种不变，则混合色也随之变化。补色律：每一种色都有一个相应的补色，便产生中间色，其色调决定两色的相对数量，其纯度决定二者在色相环上的距离。 （3）色相相同的光，不论它们的光谱组成是否一样，在混色中都具有同样的效果，即视觉上相同的两色，都是等色。代替律：相似色的混合仍然相似。如果A色＝B色，C色＝D色，那么A色＋C色＝B色＋D色。 （4）由几种色光组成的混合色的亮度，是各色光亮度的总和。 二、颜料混合 绘画颜料、印刷用的油墨及其它工业用的染料等等，这些着色材料的混色大体上比原来的颜色暗。原因他们反射光线的减少，两色混合后，光度低于两色各自原来的光度，合色愈多，被吸收的光线愈多，反射的光线愈少就愈近于黑。颜料三原色品红（M）、黄（Y）、青（C）是减色原色，它们相加混合而形成的是（近似）黑（BK），或其中任何二种色料相加而呈现的混合色都是暗于原色，也就是要减却二色的补色成分。所以称这种色料的混合为减色混合。彩色印刷的油墨调配、彩色照片的原理及生产、彩色打印机设计以及实际应用，都是黄、品红、青为三原色。彩色印刷品是以黄、品红、青三种油墨加黑油墨印刷的，四色彩色印刷机的印刷就是一个典型的例证。在彩色照片的成像中，三层乳剂层分别为：底层为黄色、中层为品红、上层为青色。各品牌彩色喷墨打印机也都是以黄、品红、青加黑墨打印彩色图片的。   视觉混色不是直接由色光混合的加色法，也不是直接用颜料调和的减色法，而是使用颜料的一种加色混合方法，也可以叫中间混合，正如约翰内斯．伊顿说的，“在我们讨论色彩调和的颜料方法之外，还有用视觉调和的方法，这种的组成是将纯度色彩并置成小色域或点子的视觉调和，然后从一定的距离来观看这个表面具有的小色域或点、线的画面。在眼睛中，他们有被调和成一个单一色彩的感觉。这种加色法调和类型的优越性是：混合后的色调掺合性较少，而颤动性则增加。” 视觉混色的色感，就其明度来说，既没有提高，也没有降低，如将色料三原色M（品红）/Y（黄）/C（青）三等分色盘，G（蓝紫）/Y（黄）和R（红）/C（青）补色等分色盘，放在转动装置上，这些色盘旋转中呈现的是漂亮的中灰色或浅灰色。这就是说，色料的三原色的反射光虽然混合不出白色，但在改变混合方法时，也不会是黑浊色，而是三色平均明度的灰色。同样，互为补色的二种色料在此种混合下，也不是黑浊色，而是二色平均明度的灰色。虽然颜色盘的混合只能用于示范表演，但却提示了这样一个原理：在视网膜的相同部位，两种以上颜色不断予以刺激，就能在人的视觉上产生被平均了的混合色──保留着两种色以上的各色平均明度的一种新的混色。 |
奇妙的服装图案 |
| 你想过没有，服装颜色和图案的设计中，还大有学问哩！巧妙的设计，能产生奇特的效果。 许多青年人爱穿水兵的“海魂服”，这种针织衫上有蓝白相间的粗横条，清新爽朗，小伙子穿起来，确实神气。有趣的是，瘦人穿上它，显得丰满，而胖人穿了它，看起来更臃肿了。这是一种光学现象──视错觉造成的。  同样的分割用在不同的地方，会产生相反的效果。在装璜设计上，要想使一只盒子显得高一些，就可采取横向分割；然而在衣着装饰上的分割错觉却恰好相反，矮胖的人穿横向条纹的“海魂服”，不但没有增加高的感觉、反而增加宽的感觉，显得更胖了。这是因为盒子一般不太大，它正好处在人眼的正常视野中，眼球不必转动就可以看清它，观看横向分割的时候，就会不自觉地把分割条数考虑进去，便觉得高度有所增加。观看穿横向条纹衣服的人，情况便有所不同，为了能看清这些条纹，视线必然会沿着条纹方向移动，不自觉地把条纹长度跟条纹间隔作比较，就觉得横向的宽度增大了。所以，矮胖的人不宜穿“海魂服”之类的横向条纹衣服，而适合穿竖直条纹的服装。  ` 歌唱家们在舞台上喜欢穿着拖地的深色连衣裙，或者是黑色的长装。这样的服装会给观众一种“苗条”秀丽的感觉。这也是光学原理在起作用。两个大小相等的黑白色正方形，好象白的比黑的要大一些。这是因为，浅色物体在视网膜上的像，周围总有一圈光线围着，好象是从象中渗出来似的，人们把这种现象叫“光渗”。黑色背景下的白色物体，由于光渗作用，它在视网膜上的象要比实物大一些；白色背景下的黑色物体，情况恰恰相反。所以便产生了白大黑小的错觉（光渗错觉）。假若把画在黑色背景上的白圆点，跟画在白色背景上的同样大小的黑圆点，同时放在一起看，会觉得黑圆点要比白圆点约小五分之一。同是一个人，穿深色衣服的时候，要比穿浅色衣服显得瘦些，就是这个道理。 |
测量员的助手 |
周肇威 |
| 光在空气中沿直线传播，即光的直进，用途很广，下面就是几个常见的例子。 木工在检验木条是否平直时，往往闭住一只眼，把张开的另一只眼放到木条的一端，沿着木条的边缘望去，如果边缘重合成了一点，就说明边缘上的各点都在同一条直线上。这就是利用了光的直线传播。 栽树苗或者埋电线杆，要想栽成一条直线，也要应用光的直线传播。测量员进行大地测量时，要用标杆来确定直线，具体做法是：先按照规定的方向，在地面上竖直地立起两根标杆确定直线的方向。再请人拿着第三根标杆向前走到第二根标杆前面某一位置上，测量员在第一根标杆处用一只眼朝第一、二根标杆的方向望去，并用手势指挥拿第三根标杆的人移动标杆的位置，等到第三根标杆恰好被前两根标杆遮住时，三根标杆便在一条直线上了。第四、五根标杆的位置也是如此确定。你可以找几位同学试一试看。   一些现代化设备也应用光的直进。在安装北京饭店电梯时，为了使80多米高的电梯又正又直，工程技术人员用一束激光代替了铅垂线，在激光帮助下，工程又快又好地竣工了。 |
穿衣镜需要多高 |
周肇威 |
| 要认镜子里看到自己的全身像，穿衣镜至少应当多高呢？你也许会说，镜子应当和人一般高。大概古人也是这么想的，故宫里有一面镜子，大约有两米高；而《红楼梦》中，刘姥姥误入怡红院时照的镜子则是“四面雕空的板壁，将这镜子敬在中间的。” 其实，竖直放着的穿衣镜，只要有人身高的一半就能照出全身像来，所以，大衣柜上的穿衣镜一般只有1米或90厘米长就够了。 19世纪时，有人在实验室里设计过一个量身高的长条形平面镜，叫半长度镜，专门用来测量人体有多高。 现在，就拿你房间里的穿衣镜来做这个实验吧：你站到穿衣镜前面任意地方，并且让一位同学站到穿衣镜旁边，然后把你所看到自己的头顶和脚跟在镜子内的位置指点给同学，请他在镜子上用橡皮膏标出这两个点的位置。用尺子量出两块橡皮膏之间的距离，用这个数乘上2，看看是不是等于你的身高？ 你也许会想，这跟人站的位置有关系吧？人走近镜面，就应当占去更多的镜面吧？试试看，你会发现，不管站在哪个位置，两块橡皮膏之间的距离总是你身高的一半。  课本里已经指出，平面镜里的虚像和原物大小相等，像和物到镜面的距离相等，因此，镜中的刘姥姥的像自然和刘姥姥一般高，而且像和人到镜面的距离相等。 我们再研究一下CD有多长。在ΔA′EB′中，由于镜面是竖直的，刘姥姥也是直立的，所以CD和A′B′是平行线，另外，EC＝CA′，即C点是EA′的中点，三角形ECD和三角形EA′B′是相似的，它们对应边之比是1：2，所以CD当然是A′B′或AB的1／2了。即镜长是身高的一半。 当刘姥姥缓步向镜后退去的时候，她的虚像当然要面对面地跟随着远离镜面，但是镜长仍是身高的一半，同学们可以自己画图来证明。 |
自行车尾灯的光学原理 |
周肇威 |
自行车后面装着一个红色的尾灯，里面没有灯泡，它有什么用处呢？白天，它的红颜色会引起后面的汽车司机的注意。夜晚，你拿个手电筒照一下，它会“发光”。它的本领是不管入射光从哪个角度射来，它的反射光都能逆着原方向反射回去。自行车尾部安上它，后面的汽车灯光照在它上面，司机看上去特别耀眼，就引起了司机的注意，避免汽车撞上。  因为主∠1＝∠2，（光的反射定律） O1N1∥MM2（它们同时与MM1垂直） ∠2＝∠3，（内错角） ∠4＝∠5，（光的反射定律） ∠6＝90°－∠5＝90°－∠4＝∠3， 所以∠6＝∠3＝∠2＝∠1； 因为∠3＝∠7（对顶角）， 所以 ∠6＋∠7＝∠1＋∠2； 结论O2B∥AO1（同位角相等） 如果在这个偶镜上再加一面镜子，使三面镜子互相垂直；就像从箱子上切下一个角，得到了一个四面体，这就成了角反射器，它实际上是三对偶镜。从任何方向射向角反射器的光线都会被它沿原方向反射回来。自行车的尾灯，从表面上看去好像是蜂窝图案，它里面实际上是许许多多角反射器。本世纪60年代科学家们利用宇宙飞船已经把一个角反射器放到了月球上。从地球上向这个角反射器发送激光束，精确测出激光从地球射到反射器再返回地球的时间，再利用光速就可以算出月球到地球的距离。 |
两个有趣的光学游戏 |
周肇威 |
| 拿一个透明的玻璃杯，灌上清水，就可以做两个有趣的光学游戏。 晚上，把一个台灯放在远处，别的灯都关掉，把水杯举起来，透过水杯从下向上看，你会看到，水的内表面像镜子一样，映出远处的台灯。如果台灯比较亮，你会发现，那水面竟然闪着银光！ 好，现在拿一支铅笔，把它的笔尖插到水中，透过水杯从下往上看，在水面上下出现了两个铅笔尖，一个向下，那是直接看到的铅笔尖；一个向上，那是铅笔尖的像（图4－9）。你看，这水的内表面不也是一块地道的镜子吗？  |
光的全反射 |
周肇威 |
课本里“光的折射”一节已经介绍过，当光从水斜射入空气里的时候，光在分界面上有一部分被反射回水中，另外有一部分则进入空气里发生折射。那里已指出，这时折射角大于入射角（见图4－10）。 由于折射角大于入射角，当入射角达到某个值时（还未到90°），折射角就已经达到90°，这时就没有折射光，光全部都反射回水里了。这就是全反射现象。这时的入射角称为临界角。上面讲的，当光从水里或玻璃棱镜里射向它们和空气的分界面时，只要入射角大于临界角光就全部反射回水或玻璃里。这就是上节小游戏中出现的现象的原因。 再想一想：当光从空气斜射入水中，会不会发生全反射现象？只要看一看这种情况下折射角的特点就能得出正确的答案了。 |
光导纤维 |
周肇威 |
1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了（图4－11）。 后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。 光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月，一条3．3公里的120路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。 利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。 另外，利用光导纤维制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗。 |
蝴蝶杯 |
周肇威 |
| 中国传统的蒲剧、秦腔、京剧、河北梆子等剧种中，都有一出流传很广的剧目《蝴蝶杯》，它描写一段明代发生的爱情故事。剧中男、女双方定情之物是男家的一件传家之宝──蝴蝶杯。 传说中的这种蝴蝶杯非常奇特，只要斟酒入杯，就可以看到林中有一只蝴蝶翩翩起舞；将酒倒去，蝴蝶也不见了。  杯的外形如图4－14（a）。在杯脚里将一个彩蝶装在一个细弹簧（游丝）上，只要杯受微小骚扰，彩蝶就会振动。在杯底中央嵌装一颗珠子（图（b）中的B），它的作用相当于一个凸透镜。杯中无酒时，彩蝶的位置在凸透镜的焦点以外，它通过凸透镜造成的实像与人眼在同一侧，人眼一般看不清楚。往杯中斟上酒以后，从图（C）可以看出，酒的截面中间薄、旁边厚，因此酒成了一个凹透镜。凸透镜与凹透镜合在一起成为一个复合凸透镜。因为凹透镜具有发散的性质，所以复合凸透镜的焦距变长，这样，彩蝶便落在复合凸透镜的焦点之内，彩蝶通过复合凸透镜造成放大的虚像图（d），所以人眼能清楚地看到放大了的蝴蝶。因为杯拿在手里的时候，总受到扰动，因此看到的蝴蝶就翩翩起舞了。 |
三色陀螺和彩色电视 |
周肇威 |
| 人的眼睛能够区别一百多种不同的颜色，这些颜色几乎都可以呈现在彩色电视机的屏幕上。但是如果你用放大镜去仔细观察彩色电视机的屏幕，你就会发现彩色屏幕上的发光点只能发出红（R）、绿（G）、蓝（B）三种色光。为什么彩色电视机屏幕上发出红、绿、蓝三种色光就能够逼真地显示出与被摄景物一样的自然色彩呢？这可以用简单的实验来说明。 你也许已经做过三色陀螺的实验，从这个小实验中可以看到，调配三色板上红、绿、蓝三种色光的深浅和比例，就可以得到不同的色彩。由此可以想到，自然界中的各种色彩是不是都可以用红、绿、蓝三种色光按不同的比例混合而成呢？要想方便地说明这个问题，你只要将三色陀螺的小实验稍加改动就可以了。  先来研究红光和蓝光的混合。调整三个圆盘，使陀螺只露出两部分比例相等的红光和蓝光。当陀螺很快旋转的时候，由于人眼视觉暂留的作用，你将分辨不出各自的颜色，所看到的只是它们的混合光──紫光，即红光＋蓝光＝紫光。 用上述方法，你可以得到以下结果： 红光＋绿光＝黄光；绿光＋蓝光＝青光。 调整三个硬纸板，使露出的红、绿、蓝三个部分相等。当陀螺很快旋转时，你看到的将是白色。即红光＋绿光＋蓝光＝白光。 任意改变陀螺上三种色光的比例，每改变一次，就让陀螺很快旋转一下，你便可以看到粉红、橙红、橙色、蓝绿、黄绿、深紫等许多不同的色光。 由此可见气自然界中五彩缤纷的各种颜色都可以利用红、绿、蓝三种色光接不同的比例混合而产生。因此红、绿、蓝三种色光称为三原色。自然界中的各种颜色，都可以分解成红、绿、蓝三种基色光。我们喜爱的彩色电视机就是利用三原色来合成彩色的。 首先，电视台的摄像机将被摄景物的色彩分解为红、绿、蓝三种色光，把被摄景物变成三幅红、绿、蓝三色图象，并把这三色的图象转换成为相应的电信号，由电视台通过电磁波将这些电信号发射出去。 彩色电视机的显像管里装有三支电子枪。电视机接收到电视台发射的三种电信号分别加在这三支电子枪上，三支电子枪就发出三束电子流，每束电子流的强弱分别受三个电信号的控制。 彩色电视机的荧光屏上一点一点地交替排列着三种荧光粉，当电子流打在上面的时候，三种荧光粉分别发出红、绿、蓝三种色光。相邻的发光点挨得很紧，距离只有针尖那么大，不用放大镜是看不出来的。当三种荧光粉同时发出强弱不同的红光、绿光、蓝光时，人眼分辨不出每个发光点发出来的色光，看到的只是它们的混合色，因而，看到屏幕上呈现出各种各样的颜色。 |
五光石和七色光 |
周肇威 |
| 我国宋代已经发现天然透明的晶体在阳光照射下发出五色光的现象，并把这种晶体叫做“五光石”。 我国古代对于虹也有不少记载和分析。北宋的沈括在《梦溪笔谈》里引用孙彦光的话说：“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”。还有位叫张志和的人，背着阳光喷水，造出了人造虹。你不妨也试一试，背着阳光喷一口水，果真能见到美丽的彩虹。背着阳光看喷泉或喷灌散开的水珠，也能看到人造虹。 古人有的认为美丽的色彩是太阳射出来的。有的人认为色彩是物体发出来的，阳光是白色的，阳光加上物体的色彩才出现了五光十色的世界。到底哪种说法对呢？ 这个问题直到1672年英国科学家牛顿解释了著名的棱镜实验才得到了正确的答案。 牛顿在他的著作《关于光和色的新理论》中，叙述了当时的情景：“我在1666年初，做了一个三角形的玻璃棱镜，利用它研究色的现象。为了这个目的，我把房间弄成漆黑的，在窗户上做一个小孔，让适量的阳光射进来，我又把棱镜放在光的入口处，使通过棱镜的光能折射到对面的墙上去。当我第一次看见由此产生的鲜明而强烈的颜色，我感到了极大的愉快。”  牛顿的色散实验解开了五光石的谜，五光石在阳光下能发出色光，是由于这种透明晶体能使阳光发生色散的缘故。 |
日光发动机和日光加热器 |
有一种极吸引人的想法，就是利用日光能来烧热蒸汽机的锅炉。让我们先来做一个不太复杂的计算。地球上每一平方厘米的表面，在大气界限以外受到太阳光线的直射，每分钟接受到的日光能，是能精确地测量出来的。这个数量显然是不变的，所以把它叫做“太阳常数”。太阳常数的数值，就整数来说，是每分钟每平方厘米约8焦耳。可是，太阳经常不断地给地球送来的这份热量，并不能完全到达地球表面：大约有半个小卡钟里接受的热量，可以算它5．8焦耳的热量。改用平方米来说，就是每分钟58000焦耳，或每分钟14大卡，也就是每秒钟大约1／4焦耳。我们知道，4．18千焦耳（l大卡）的热完全变成机械工作的时候，可以产生4184．6焦耳（427千克力米）的功。因此，竖直地射在1平方米地面上的日光，大约可以供给我们980焦耳每秒或略大于980瓦的能。 要太阳的辐射能完成这么多的功，必须在最有利的条件下──阳光得竖直地射在地面上，并且得100％变成功。可是目前已经实现了的那些直接利用日光能做动力的尝试，离这种理想的条件还很远。它们的效率都不超过5％～6％。只是在最近才有几种最有效的日光发动机，效率达到了15％。  利用太阳的辐射能来做机械工作比较难，但是利用它来产生热却比较容易。如太阳能热水器，是目前使用最普遍和成效最好的一种太阳能装置，它可以为家庭、工厂或浴室、旅馆等公共场所提供洗澡、洗衣、炊事等用途的热水，水温在夏季一般能达到50－60摄氏度。这种装置构造简单，成本不高，在北纬45度到南纬45度之间的城乡地区最适用，因为这个地区里每年大约有2000小时以上的日照时间。现在全世界至少有几百万台太阳能热水器在工作。 还有利用太阳能来蒸煮食物的太阳灶，利用太阳能来干燥农副产品的太阳能干燥器，在广大农村地区，特别在燃料缺乏的地区，也很有发展前途。 在有些干旱的沿海或海岛地区和一些内陆咸水地区，还利用太阳能蒸馏器来制取淡水。 另外，在某些现代化的建筑设计中，正在考虑利用太阳能供建筑采暖或空气调节。 |
隐身人 |
在《隐身人》这本小说里，英国作家威尔斯竭力使自己的读者相信隐身是完全能实现的。小说里的主人公（作者把他描写成了一位“世界上从来没有过的天才物理学家”）发明了一种方法，可以使人的身体变得看不见。下面是他对一位熟悉的医师所说的关于他的发明的根据。 “我们能够看见一件东西，是由于这件东西能对光线起作用。你知道，物体或者是吸收光线，或者是反射光线、折射光线。如果物体既不吸收光线，也不反射光线或是折射光线，那它就根本不能被看到。例如，你看得见那个不透明的红箱子，就因为红色的涂料能够吸收一部分光线，把其余的光线反射出去。假如那个箱子一点光线也不吸收，而是把全部光线都反射出去，那它在我们眼里就会是一个耀眼的白箱子，像银制的一样。能闪烁发光的箱子只能吸收很少的光线，它的表面上反射的光线一般也不多，只是在箱子上的某些地方，在箱棱上反射着和折射着光线，这样就使我们清楚地看到它的闪烁着反射光的外表──有点像发光的骨架。玻璃箱子发光比较少，在我们眼里它不像闪烁着光的箱子那样清楚，这是因为玻璃上反射的光线和折射的光线比较少。如果把一块普通白玻璃放在水里，特别是如果把它放在某种比水密度更大的液体里，那就几乎会完全看不见它，因为透过水射到玻璃上的光线，受到折射和反射的程度非常小。玻璃已经变得跟飘在空气里的一股二氧化碳或氢气一样，看不见了。” “是的，”坎普（医师）说，“这一切都极简单，在今天，每一个学生都知道。” “可是还有一件事也是每一个学生都知道的。如果把一块玻璃捣碎成粉，在空气里它就变得十分容易看见了──它变成了不透明的白色粉末。为什么会这样呢？因为把玻璃捣碎，就是增加它的表面也就是使它所反射和折射的光线增多。玻璃片只有两个面，而玻璃粉末的每一颗粒都能反射和折射通过它的光线，所以能够透过它的光线就非常少。可是如果把捣碎了的白玻璃放在水里，它马上就会隐去。捣碎了的玻璃和水有几乎相同的折射率，这就使光线从水进入玻璃或从玻璃进入水的时候，发生极少的折射和反射。 “把玻璃放在任何一种折射率同它差不多的液体里，你就不能看到它：凡是透明的物体，只要把它放在折射率同它相同的介质里，就会变得看不见。懂得这一点以后，只要略微想一想就会相信，我们也能使玻璃在空气里变得看不见：设法把玻璃的折射率做得跟空气的折射率相同；因为这时候光从玻璃透到空气里，不再会被反射，更不会被折射。” “对，对，”坎普说，“但是要知道，人并不是玻璃啊。” “不，人比玻璃更要透明。” “胡说！” “自然科学家也是这样说的！难道你只过了10年，就完全忘记了物理学吗？譬如纸是透明的纤维制成的，它所以会发白而不能透光，正同玻璃粉会发白而不能透光是同样的道理。但是如果你在白纸上涂上油，让它来填满纤维之间的空隙，使纸只能用表面来折射和反射光，那末这张纸就会变得同玻璃一样透明了。不但纸是这样，布的纤维，毛织物的纤维，木材的纤维，我们的骨骼、肌肉、毛发、指甲和神经都是这样！总之，人身上的一切，除了血里的血红素和头发里的黑色素以外，都是透明无色的组织组成的。所以要使我们彼此看不见是不很费事的！”  有一件事实也可以做这种见解的证据，就是身上没有毛、组织里缺乏色素的生着白化病的动物，是相当透明的。1934年夏天，有一位动物学家在儿童村里找到一只缺乏色素的白蛙，曾经这样描写过它：“皮很薄，肌肉组织能透光；内部器官和骨骼等都能看到……透过腹壁能够非常清楚地看到这种缺乏色素的蛙的心脏的跳动和肠的蠕动。” 威尔斯小说里的主人公发明了一种方法，能把人体里的所有组织，甚至身体里的色素都变得透明。他成功地把这个发明应用在自己身上。试验获得了辉煌的成就──发明家本人完全变成了一个隐身人。 这个隐身人的以后情形，我们现在就来讲一讲。 |
隐身人的威力 |
小说《隐身人》的作者非常聪明而且彻底地证明了，一个人变得透明不能被人看见以后，他就因此取得了几乎是无限的威力。他能够进入任何一间屋子，毫无顾虑地拿走任何一件东西。人们看不见他，所以也捉不到他。由于自己的不能被人看见，他可以跟整队的武装军队斗争而得到胜利。隐身人可以用难以躲避的惩罚来威胁所有不能隐身的人，使全城的居民都服从他的命令。他本人不能被捉到不能被伤害，而他却有完全可能去伤害所有别的人。这些人无论怎样设法自卫，迟早总要被这个隐身的敌人追赶上而受到迫害。这种优越的地位，就使这本英国小说里的主人公可以向本城里受他威胁的人发出这样一道命令： 本城从今天起就不在女王的管辖下了。请你们告诉你们的团长、警察和所有的人：本城从此必须服从我的统治！今天是新世纪──隐身人世纪的第一年，第一天！我就是隐身人一世。一开始，我的统治是宽大的。在第一天，我只判一个人死刑，给大家做榜样。被判死刑的人名字叫坎普。今天就是他的死期。尽管他闭门不出尽力躲藏起来，尽管他用卫兵保护或是穿上盔甲，可是死，不可见的死，还是会临到他身上的！虽然他采取了预防的措施，但是我的人民不会不知道，死神一定会降临到他身上的！我的臣民们，千万别帮助他，以免同归于尽。开始的时候，隐身人是胜利的。后来，受威胁的居民作了极大的努力，才找到了跟这个梦想做皇帝的隐身敌人周旋的方法。 |
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