物理爱好者

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光通信今昔



周肇威



　　我国古代用光来传递信息，可以追溯到2700多年前的周朝。那时用的通信设施就是烽火台，也叫烟墩或狼烟台。台上堆有柴草和发烟剂──干狼粪，有士兵昼夜轮流看守，一遇紧急军情，夜间举火，火光冲天，白天则举烟，狼烟直上九霄，即使在很远处也能看见。这样一台接一台点燃烽火，消息很快就传到远方。我国的长城上就设置了许多这样的烽火台。后来人们又通过改变举火的方式和次数等来传递较为复杂的信息。

　　烽火通信必须高筑台、多燃柴。和小巧玲珑的“孔明灯”相比则显得笨重得多了。“孔明灯”实质上是一种热气球，相传是三国时诸葛亮发明的。它的外表是一个用细篾糊上薄纸的大灯笼，仅在下面开一个小口，口下近处悬挂一器皿，内盛松香或油脂，点燃后由于加热膨胀了的空气进入灯腔内，内部密度大的冷空气下降从小口排出待腔内充满热空气，热空气灯的总重小于灯体排开的空气重时，孔明灯便慢慢升到空中，直到燃料耗尽才慢慢落回地面。利用孔明灯的颜色、个数就可以向远处传递不同的信息（图4－12）。



　　后来人们发明的旗语、信号火箭、信号弹等都是利用相似的道理来传递信号的。但是这些方法受气候等的影响而且传递的距离也有限。

　　前面讲过的光导纤维把光通信推到了一个新阶段。光在光导纤维内传播，所以保密性能好，抗干扰能力（不受外界影响的能力）强。有了激光这种新型光源，因为光强度大，方向性好，所以能传很远的距离。现在光纤通信这种先进的技术已经进入实用阶段。我国的光纤通信事业发展也很快，已经建成多处试验工程，并能成批生产光纤光缆了。光纤通信已被列为国家技术革命的重点之一。

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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。 　　根据山西省侯马市仿制成功的传统的“蝴蝶怀”，它的原理大致如下： 　　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。

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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。 　　拿一个陀螺和三块圆形硬纸板，在三块圆形硬纸板上，分别涂满纯红、绿、蓝三种颜色。按照图4-15中的样子，沿半径剪开一个槽。把三个硬纸板套在陀螺上，并沿槽口交错插进去成右边图的样子，转动三个硬纸板就可似调整陀螺上红、绿、蓝三种色光的比例。 　　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。

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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。” 　　我们可以在实验室里重复牛顿的实验，你会看到，阳光经过棱镜发生折射，在屏上形成一条彩色的光带。光带中靠近棱镜顶角的一端是红色，靠近底面的一端是紫色，形成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色彩带。如果再放一个棱镜，其底面倒置，让七色光通过，便又合成了一束白光。牛顿的实验说明，白色的阳光是由七种颜色的光混和而成的，是太阳为我们送来了色彩。 　　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。

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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。

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隐身帽








　　从远古时代流传下来的故事里，有一个关于隐身帽的故事，说有一顶帽子，谁戴了它，别人就都看不见他。普希金在《鲁丝兰和留德米拉》里曾经生动地叙述了这个古代的传说，并且把隐身帽的奇妙的性能有趣地描写了一番。

　　于是留德米拉想了起来，

　　这时候她的心忐忑不安，

　　她试戴了赤尔诺魔的帽子……

　　把帽子转过去转过来，

　　她把帽子压在眉毛上，正着戴，歪着戴，

　　又把它颠倒过来戴。

　　看啊！真是千古奇事！

　　镜子里的留德米拉不见了；

　　把帽子倒回来，

　　从前的留德米拉又出现了；

　　再倒着戴──又不见了；

　　取下来──她又在镜子里了！

　　“好极啦！魔法师！我的天哪！

　　从今以后，我在这里不再有危险了……”

　　俘虏留德米拉的唯一护身术，就是她有隐身的能力。在可靠的隐身帽的掩护下，她避开了卫兵的监视。这个看不见的女俘虏在不在，卫兵们只能根据她的动作来推断。

　　随时随地可以看到

　　她的飘忽无定的踪迹：

　　有时候，金黄色的果实

　　在喧哗着的枝头上不见了，

　　有时候，一滴滴的泉水

　　落在揉皱了的草地上了。

　　这时候城堡里的人就知道

　　大概是这位公主在进饮食了……

　　夜幕还只刚刚揭开，

　　留德米拉就到瀑布里

　　去洗冷水澡。

　　有一天早晨，

　　卡尔本人就曾在宫里望见：

　　在看不见的手下面，

　　飞溅着瀑布的浪花。

　　古代人的动人的梦想，有许多早已变成现实了；不少神话里的魔术已经变成了科学上的财富。穿过高山，捕集闪电，坐着飞行毡飞翔……那末像隐身帽这种东西难道就不能发明吗？换句话说，我们就找不到使别人看不到自己的方法吗？现在就让我们来谈一谈这个问题。

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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。