物理爱好者

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关于海市蜃楼的新旧材料

大家一定都知道海市蜃楼这个现象的发生原因。在沙漠里，沙地受到炎热太阳的晒炙，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，这就使它有了跟镜子一样的作用。从很远的物体射来的倾斜光线，在射到这些空气层之后，会把行进的路线曲折起来，使得它射到地面以后会再从地面折射向上，射到观察者的眼里，就好像用极大的入射角从镜面反射出来的情形一般。观察者因此就好像看到在他面前的沙漠里展开了一片水面，反映着岸边的景物（图106）。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　说得更正确些，我们应该说靠近炙热沙面的热空气层反射光线的情形不是像镜子，而更像从水底望去的水面。在这里，产生的不是普通的反射，而是物理学上的“全反射”。要得到全反射，应该使光线极斜地射进这层空气层──要比图106所画的斜得多；否则入射角就不会超过“临界角”，不可能得到全反射。 　　顺便让我们提出这个理论里容易使人误会的一点：照方才所说的那个解释，密度比较大的空气层应该在密度比较小的空气层之上。但是我们同时知道，密度比较大的也就是比较重的空气总要向下落，把它底下密度比较小的空气挤到上面去。那么，又怎么能够使密度比较大的空气层留在上面，而造成海市蜃楼的现象呢？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　答案非常简单，我们要密度比较大的空气层在上面，虽然在稳定的空气里是不会有的，但是在流动的空气里却是可能的。被地面炙热的空气固然不会停留在地面上，它要不断地向上升起，但是立刻就有一层空气来补空，这一层空气接着也受到炙热，就又变成了热空气。这样不断地替换着，在炙热的沙面上就总会有一层密度比较小的空气层，──虽然不老是那一层，但是这对于光线的行进是无所谓的。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　我们方才谈的这种海市蜃楼，人们很早就已经知道了。这种海市蜃楼在现代的气象学上叫做“下现蜃景”（另外还有“上现蜃景”是由上层空气稀薄发生反射作用造成的）许多人认为这种古人早已知道的海市蜃楼只能够在南方沙漠里的炎热空气里出现，在北方是绝对不会有的。但是事实上“下现蜃景”也时常会在我们这里发现。这种现象特别在夏天的柏油马路上时常有发现，因为这些路面的颜色比较深，所以受到太阳光的强烈炙热。这样一来，粗糙的路面看过去竟会像淋过水般的光滑，会反映出很远的物体。这种“海市蜃楼”的光线行进路径像图107所示。只要你能够留心些，这种现象是时常可以看到的，并不像你想象的那样难得。还有一种是侧面的海市蜃楼就叫做“侧现蜃景”，这种海市蜃楼的存在，一般人恐怕连想都没有想到。其实这就是竖直的墙壁被炙热以后的反射现象。这个现象曾经有一位作家写出来过。这位作家在走近一个炮台堡垒的时候，发现堡垒的混凝土墙壁突然亮了起来，跟镜子一样反映出四周的景物、地面和天空。再走了几步，他又在堡垒的另外一堵墙壁上发现了同样情形，就仿佛那灰色不平的墙壁突然变成十分光滑似的。原来，那一天天气非常热墙壁给炙得滚烫──这就是这个谜的解答。图108表示堡垒两堵墙壁（F和F′）的位置和观察者的位置（A和A′）。原来，墙壁给太阳炙得相当热也会使你看到海市蜃楼的。这个现象并且能够用照相机拍摄出来。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　图109表示堡垒的墙壁F起先是粗糙不平的（左），后来亮了起来（右），就像镜子一样（这是从A点拍摄的）。左面的照片上是一堵普通的灰色混凝土墙壁，那里自然没有反射现象发生，不可能把附近的两个人形反映出来。右面那幅照片呢，表示的仍旧是方才那堵墙壁，只是它的大部分已经起了镜面的作用，因此立得比较近的那一个人在墙壁上就被反映出他的像来了。当然，反射光线的并不是墙壁本身，而只是贴近它的炙热的空气层。在夏天极热的日子，你不妨时常去留意大建筑物的被炙得很热的墙壁，看看有没有这种海市蜃楼发生。无疑的，如果经常这样留心去观察，发现这种海市蜃楼的机会一定会有很多。

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“绿光”

你曾在海面上观察过日落吗？无疑的，你一定观察过。那么，你可曾一直观察到太阳的上缘跟水平面相平，然后完全消失为止呢？我想你也一定观察过的。可是，假如你观察的时候，万里无云，天空完全明朗，你可曾发现当太阳投出最后一道光线的那一瞬间所发生的现象吗？恐怕就不一定了。但是我劝你不要失去机会去进行这样的观察：在那一瞬间，投进你眼帘的，不会是红色的光线，而是绿色的，鲜艳的绿色的光线，这个颜色的漂亮，甚至于随便哪一个画家也不可能在他的调色板上调出，就是大自然自己也不可能在别的地方像最清澈的海水里调出这样漂亮的颜色。 　　一份英国报纸上刊出的这节短文，引起了儒勒·凡尔纳写的《绿光》那部小说里的年轻女主角的极大兴致，她开始到处旅行，目的只有一个──亲眼看到这种绿光。根据小说家的叙述，这位年轻的苏格兰女旅行家并没有达到她的目的，没有看到大自然的这个美景。但是这个现象却确实是有的。关于绿光，虽然常常带着许多传说般的说法，但是这个现象的本身倒并不是一个传说。每一位爱好大自然的人，只要他有耐心去寻找，能够看到这个现象，就一定会称赞这个景色的美丽的。 　　为什么会有绿光出现呢？ 　　对于这个问题，只要你想起当我们通过三棱镜看物体时候所看到的情形，你就会明白了。请你先做一个实验：拿一个三棱镜平放在眼前，底面朝下，然后通过它去观察钉在墙壁上的一张白纸。你就会发现，首先是这张纸显然比原来的位置升高了，其次，纸的上面一边会显出紫色，下面一边却显出黄红色。纸升高是由于光线曲折的作用，纸边有颜色是由于玻璃的色散作用，就是因为玻璃对于不同颜色的光线有不同的折射率。紫色和蓝色的光线要比别种颜色的光线折射得更厉害，因此我们在纸的上面一边看到了紫蓝色；红色的光线折射得最差，因此在纸的下面一边看到了红色。 　　为了使下面的解释容易明白，在这个颜色边的问题上我们还得多说几句。三棱镜把从白纸反射过来的白光分散成光谱上所有的颜色，造成了那张纸的许多有颜色的像依颜色折射率大小的次序排列在一起，而且互相重叠。在所有颜色都重叠在一起的中间部分，我们的眼睛看过去是白色的（光谱颜色的总和），但是上下边却露出没有别的颜色重叠上去的单纯的颜色。著名的诗人歌德也曾经做过这个实验，他可没有明白它的道理，认为他已经发现牛顿关于颜色的理论不正确，就写了一篇《论颜色的科学》，这篇文字几乎全部建立在颠倒是非的说法上。我想我们的读者一定不会重蹈歌德的覆辙，并且不会希望棱镜会增添物体的颜色。 　　地面大气对于我们的眼睛就仿佛是一个底面朝下的很大的三棱镜。我们望见已经落到地平线上的太阳，就是通过这个空气三棱镜在观察的。因此太阳圆面的上面边缘就显出蓝绿色，下面边缘却显出黄红色。当太阳的位置还高出地平线的时候，因为圆面中央的耀眼的光线压倒了边缘的光度比较弱的各种颜色的光线，因此我们根本看不到这种颜色；但是在日出日落的时候，那时整个太阳圆面都隐藏在地平线以下，因此我们能够看到上面边缘的蓝色。这个边缘实际上是两重颜色的，上面是一条蓝色带，下面是蓝绿两种光线混合成的天蓝色。因此，假如接近地平线的空气完全洁净透明的话，我们就能够看见那蓝色的边缘──“蓝光”。但是这蓝光时常会给大气散射了，就只剩下一道绿色的边缘，这就是“绿光”现象。不过，因为地面上的大气在大部分的情形下是浑浊不清的，那时候会把蓝绿两种光线全部散射了，那我们就不可能发现什么颜色的边缘，而太阳也就像一个火红色圆球般落下山去了。 　　普尔柯夫天文台的天文学家季霍夫曾经做过一次“绿光”的专门研究，他告诉我们可以看见这个现象的许多征兆。“太阳下山的时候如果有红颜色，而且用普通肉眼去望也不觉得刺眼，就可以肯定地说，绿光是不可能看见的。”这理由是很清楚的：太阳的红颜色表示在大气作用下蓝绿光线的散失，也就是表示太阳圆面上部边缘的颜色完全散失。这位天文学家继续说道：“反过来说，假如太阳在下山的时候并没有显著改变它原来的黄白色，而且非常刺眼，那就可以有相当把握地希望绿光的出现。但这儿还得有一个条件，就是，地平线看过去一定要十分清楚，没有什么不平的地方，附近没有树林、建筑物等等。这些条件只有在海洋上容易得到；所以海员对绿光往往很熟悉。” 　　这样看来，如果想看到太阳的“绿光”，一定要在天空非常洁净的时候观察日出或日落。南方的国家，地平线上的天空比较清澈，因此“绿光”现象在南方也就可以有比较多的被观察机会。但是，“绿光”现象在我们这里，也并不像一般人受了儒勒·凡尔纳的影响以后所想象的那样难得看到。只要你坚持有恒地去寻求，迟早一定会看到的。甚至有人用望远镜也望到过这美丽的现象。两位阿尔萨斯的天文学家对于这种观察有过这样的记述： 　　……在太阳完全落下去的前一分钟，当太阳的很大一部分还可以看得见的时候，那轮轮廓显明的、在波浪似地动着的太阳四面，围上了一圈绿色的镶边。 　　这个绿色镶边在太阳还没有完全落下之前，肉眼是不可能望见的。只有当太阳完全消失在地平线以下，才能够看得到。假如我们用相当高倍数（大约100倍）的望远镜望去，就可以清楚地看到这一切现象：这绿色的镶边最迟在日落前10分钟就可以望见；它围着太阳圆面的上部，但同时在四面的下部却可以望到一道红色的镶边。这道绿色镶边起初很窄（视角一共只有几秒），以后太阳逐步低落，镶边就逐渐加宽，有时候会增加到视角有半分之多。在这绿色的镶边之上，时常会看到的也是绿色的凸出部分，这些凸出部分随着太阳的逐渐消失，仿佛沿着它的边缘滑到最高点；有时候它们甚至脱离了镶边，继续发光几秒钟以后才熄灭。 　　“绿光”现象一般只延续一两秒钟。但是在特殊情形下，这个延续时间可以显著地加长。譬如说，有人曾看到过5分钟以上的“绿光”。太阳在很远的山后落下，一位快步行进的人看到了太阳圆面上的绿色镶边仿佛沿着山坡滑落（图110）。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　在日出的时候，当太阳的上边缘开始从地平线下面露出的时候，观察“绿光”也是很有意思的事情。这个事实可以证明许多人的一种论断不正确，他们一向认为“绿光”只是眼睛受到日落以前太阳光芒的刺激所发生的光学上的错觉。 　　太阳并不是惟一能够发“绿光”的天体。有人发现金星在落下时会发出绿光的现象。

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天空的颜色与大气污染







　　自然界中绚丽多彩的晚霞和日出东方时的壮丽景象是任何一位艺术家都难以描绘的。但是很少有人知道，我们目睹的大部分颜色是污染造成的。城市的落日和空气清新的乡村落日是不同的。

　　在非常洁净、未受污染的大气中，落日的颜色特点鲜明。太阳是灿烂的黄色，同时邻近的天空呈现出橙色和黄色。当落日缓缓地消失在地平线下面时，天空的颜色逐渐从橙色变为蓝色。即使太阳消失以后，贴近地平线的云层仍会继续反射着太阳的光芒。因为天空的蓝色和云层反射的红色太阳光融合在一起，所以较高天空中的薄云呈现出红紫色。几分钟后，天空充满了淡淡的蓝色，它的颜色逐渐加深，向高空延展。但在一个高度工业化的区域，当污染物以微粒的形式悬浮在空中时，天空的颜色就截然不同了。圆圆的太阳呈现出桔红色，同时天空一片暗红。红色明暗的不同反映着污染物的厚度。有时落日以后，两边的天空出现两道宽宽的颜色，地平线附近是暗红色的，而它的上方是暗蓝色。当污染格外严重时，太阳看上去就像一只暗红色的圆盘。甚至在它达到地平线之前，它的颜色就会逐渐褪去。

　　为什么在洁净的空气中太阳呈现出黄色，同时天空呈现出蓝色呢?在19世纪末期，英国物理学家瑞利在1871年首先对此作出了解释。在地球表面的人是透过经空气散射的太阳光来看天空的。在洁净的、未受污染的大气中，大部分的散射是空气中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，这些分子的大小比可见光的波长要小得多。瑞利理论指出，散射光强和波长的四次方成反比(Ｉ∝１／λ４)，在这种情况下，散射主要影响波长较短的光。因为蓝色位于光谱的后面，所以天空本身呈现出蓝色。太阳光直接穿透空气，在散射过程中它失去许多蓝色，所以太阳本身呈现出灿烂的黄色。

　　根据瑞利的理论，当光波波长减少时，散射的程度急剧加强。所以光波波长最短的紫色光应该散射最强，靛青、蓝色和绿色的光散射要少得多。那么为什么我们看见的是蓝天，而不是紫色和靛色的天空呢?原来当散射光穿过空气时，吸收使它丧失了许多能量，波长很短的紫光和靛光虽然在穿过空气时，散射很强烈，但同时它们也被空气强烈地吸收，阳光到达地面时，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我们所目睹的天空颜色是光谱中蓝色附近颜色的混合色，它们呈现出来的就是蔚蓝天空的颜色。

　　除了散射外，太阳光还被空气中的臭氧分子和水蒸气所吸收。因为空气层散射和吸收的共同作用，最终到达地面的太阳光消耗了许多能量。正因为早晨和傍晚，太阳光经过空气的路程长，能量损失过多，所以我们可以欣赏壮丽日出和美丽的日落景色。而在白天，阳光在大气中经过的路程短，它的能量损失少，这时用肉眼直视太阳会使人头晕目眩，是很危险的。

　　在太阳刚刚落山前，你会看到太阳圆盘的周围有一圈灿烂的红色光环。这个光环是太阳光被远大于空气分子的灰尘颗粒——通常它们是悬浮在地球附近空中的——折射的结果。这个光环看上去从太阳圆盘的中心向外延伸了大约3倍。因为光环延伸的角度取决于光波波长和微粒的大小，所以估计折射的颗粒直径大约为尘埃颗粒的大小。如果一阵大雨在落日前清洗了一遍空气的话，在落日时通常就看不到这个光环。瑞利未能明确地解释受污染的空气问题。虽然他的理论指出了光的散射强度将随着散射颗粒的增大而急剧增强，但它只适用于比光波波长小得多的微粒，对于直径超过0.025毫米的颗粒（例如空气分子）就不适用了。在当今的工业社会，污染物通常是悬浮的微粒，它们由直径从0.01到10毫米不等的微粒组成。瑞利的理论不能解释这种情况。后来，戈什塔夫·米证明了大粒子的散射取决于粒子线度与波长的比值，并于1908年提出了一个更为普遍的理论，它所覆盖的颗粒大小范围更大。这个理论指出，如果空气中有足够大的颗粒，它们将决定散射的情况。米氏的散射理论可以解释我们看见的城市天空的景象，颗粒越大，散射越多，同时散射的效果取决于波长。散射不仅在光谱的蓝色区域强烈，而且在绿色到黄色部分也很强。

　　所以，穿过了受到很多污染的空气层的太阳光的强度削弱了许多，太阳看上去更红一些，它已经失去它的蓝色、黄色和绿色成分。除了散射外，像臭氧和水蒸汽还会额外地吸收光能。结果圆圆的太阳呈现出黯淡、桔红的颜色。那么在受污染的空气中，天空本身的颜色又如何呢?悬浮在空中的污染物，时间一久便会聚集成层，较大的颗粒在地面附近形成了较浓密层。当太阳光穿透这些层时，它逐渐褪色，呈现出桔红色。散射的光失去了大量波长较短的光波，结果主要是红光得以穿透。天空呈现出暗红色；因为散射的红光要穿过空气层中较低的、愈来愈浓密的空气，所以在地球表面附近红色越来越浓。你所看到的落日的类型主要取决于你所处的地方。在地面上，落日的亮度和颜色取决于季节和当地每天的大气状况。人在高处所看见的日出和日落的景色完全不同。有时日落后，站在平台上的观察者能看到贴近两面地平线的一小部分空气散射的阳光。

　　日出时，在太阳升起之前，散射的光便可以看见，而对于落日而言，天空的颜色取决于大气状况。日出之前天空中呈现的鲜艳的颜色，例如橙黄色、紫色和深蓝色，表明东面的大气相对而言没受污染。一旦太阳升起来，大部分天空变成了蓝色，只有在贴近地面的部分呈现出一段狭窄的橙色和黄色。

　　傍晚的天空能揭示出大气受污染的情况。天然的“污染”也会影响天空颜色，尤其是火山喷发出的大量的灰尘、热气体和水蒸汽进入大气时。灰尘的颗粒和其他一些微粒最终在离地面15千米到20千米之间的地方聚集成层。这个空气层散射太阳光的效果格外明显，绚丽多彩，太阳呈现出蓝色或绿色，尤其是在黄昏时分，火山喷发几年之后还能看到这种景象。

　　这些引人入胜的景色并不能弥补污染的危害，无论污染是天然的还是人为的。但至少污染物颗粒通过绚丽多彩的天空颜色的微妙变化显示了它们的存在。城市日落一旦出现暗红色，那便是对我们的警告。我们应当禁止污染物排入大气，只有这样，才能保证我们的子孙后代能够继续欣赏到明朗的天空。

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吹掉帽子







　　这是一个在欧美流行的老魔术。

　　(1)布置

　　在实验桌上竖直横放一穿衣镜（60cm×80cm）。

　　(2)准备

　　每次一个学生进入室内，站在镜前，用脸贴着一端镜面观看。教师走到镜的另一端，命令学生闭上双眼，随即戴一顶帽子，把脸和身子都靠近镜的竖直边，且使脸部的一半（不多不少！）在镜前，一半在镜后。然后叫学生睁开眼睛，从镜里看着他。

　　(3)表演

　　教师对学生说：“请看，我把双臂平伸起来了，请你对着我头上的帽子吹一口气。”

　　学生吹气后，会看到教师头上的帽子腾空而起，然后又落到头上。

　　(4)奥秘

　　表演巧妙地利用了平面镜成象时物象对称的特点，学生从镜中看到的教师，一半是实体，一半是其象。教师实际上只伸直一只手臂，而学生却看到两臂平伸。学生吹气后，教师用镜后的一只手把帽子举起，由于学生脸贴在镜上，这个动作她是看不见的，只看见帽子被她吹得腾空而起。

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　一只圆形或方形（较大的）破镜子，表演者用毛巾在镜子上画几个圈，破镜就重新变成了一面好镜子了。

　　解释

　　在表演前用削尖的肥皂在镜子上画几条线，远看就象镜子破了一样表演者用手巾在镜面上画圈，实际是借此机会用湿毛巾将肥皂线擦去，破镜就重圆了。

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米格伦疑案的真相







第二次世界大战结束后，有人发现一个银行家把一幅著名的十七世纪荷兰画家杰·弗美尔的油画非法卖给德国人。而银行家坦白说，他只是替荷兰画家凡·米格伦出卖的。于是，一九四五年五月，米格伦被捕入狱。但是，他却说出卖的不是真品，而是自已的仿制品。


这件疑案由著名化学家、物理学家和历史学家组成的国际陪审团负责办理。他们通过化学分析和X射线探测，认为米格伦的供词是正确的。但不少人仍不相信米格伦能仿造出如此逼真的画来。这难破的疑案后来因为米格伦的死亡而变得更加复杂，直到一九六八年，美国卡内基—梅隆大学的科学家才用α射线作出令人信服的鉴定。


α射线是怎样鉴定文物真伪的呢？


美国科学家是用天然α辐射体的衰变来确定米格伦所卖出的画是他自已仿造的。绘油画时，是使用矿物颜料的，铅就是其中的一种重要成分。铅有几种同位素，最普通的是天然放射性元素铅210，这种同位素，每经过22年，它的数量就要减小一半，即它的半衰期为22年。铅210是由镭226（半衰期为1620年）衰变而来的。在得不到镭226补充的情况下，铅210就以22年丧失一半的速率不断减少。但是，含铅的颜料中难免夹杂少量的镭。这就有可能造成一种动态平衡：在单位时间内，镭226衰变成铅210的数量等于铅210衰变掉的数量，从而导致铅的含量不变。但是，这平衡的建立需要二、三百年。根据这个道理，只要能设法测出铅-镭重新形成放射平衡的时间，就可知道绘画的年代了。


不过，在具体鉴定时，并非直接测量铅-镭的平衡程度，而是测量颜料样品中钋210和镭226的α衰变率。为什么不直接测量铅210呢？因为钋210是由铅210衰变来的。铅210在衰变中产生的是β粒子，钋产生的是α粒子。α粒子的能量比β粒子高得多，容易测量，更何况钋210的半衰期只有138天，只要几年的功夫就同铅210达到平衡了。由于这些原因，实测时总是以钋210作为测量对象的。


镭226和钋210的衰变率，可用放射化学方法进行精确的测量。如果钋210和镭226的α衰变率相差很大，说明铅210远没有和残存的镭建立起放射平衡，那么，油画就是现代的作品；如果它们的衰变率很接近，说明二者即将建立或者已经建起放射平衡，则油画就是古代的了。米格伦出卖的油画中，钋210和镭226的衰变率分别是8.5和0.1,可见颜料很新。就这样,20多年的疑案终于冰释了结。


  

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当你站在角镜前，你的像有多少个？







在火车上的盥洗间，有两面镜子相对平行地挂在墙壁上，你照镜子时就会看到你的像不只一个，而是无限多个。


如果这两面镜子间呈某一角度，我们称为角镜。当你站在角镜前，你的像有多少个？


如果角镜的角度为2θ，则像的数目可从下式算出：N=（360度/2θ）-1例如，火车车厢中两面镜子相对平行，则2θ=0度，所以像的数目N为无限多个；当两面镜子夹角呈60度时，像的数目N=[360度÷（2×30度）]-1=5


必须指出：上述公式只是在360度能被2θ整除时才是正确的。当360度不能被2θ整除时，像的数目计算比较复杂，它不仅与两镜夹角有关，还与物体在角镜中所处的位置有关系。


你可用两面小镜作角镜，把铅笔立于其中，改变夹角中铅笔的位置来研究，但要注意，有限的镜子大小，可能使见到的像的数目很少。


在北京官园中国少年儿童活动中心，有一个科技馆，其中有三面镜子组成的角镜。如果你有机会去玩，就可以看到你的像不只一个，而是有好几个。请注意下：像的数目与你站的位置有什么关系。这将是一件有意思的事。