物理爱好者

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笔杆上的小孔有什么功用?







　　想一想:

　　（封闭的气体，受热后会怎么样？飞机在高空时，机舱内的气压和地面上的气压有什么差别？ 圆珠笔和墨水笔杆上，都有一小孔，这小孔有什么功用呢？）

　　笔杆内都有空气，这些空气对杆内的油墨(或墨水)具有压力。如果笔嘴外的大气压和杆内气压相等，油墨就不会被压出来。如果笔杆没有小孔，笔杆内外的气压就有可能不相等，例如：


(一)人体的热能使笔杆内的空气温度升高，空气受热膨胀压力增大，就会把油墨压出来。


(二)乘搭飞机到高空时，机舱内的气压调校得比地面的气压低(约为地面大气压的60％)。这时，笔杆内的气压比机舱大，就把油墨压出来。


因此，笔杆的小孔是使杆内外的气压平衡，防止油墨从笔嘴漏出来。

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激光







1958年,人类在实验室里激发出了一种自然界中没有的光,这就是激光.40年来，激光已经深入我们生活的各个角落.打长途电话,看VCD，医院里做手术，煤矿里挖掘坑道……都用得着激光.那么，激光到底是什么样的光，它为什么有这么大的用途呢？


光是从物质的原子中发射出来的.原子获得能量以后处于不稳定状态，它会以光子的形式把能量发射出去.但是，普通的光源，例如白炽灯，灯丝中每个原子在什么时刻发光，朝哪个方向发光，都是不确定的，发光的频率也不一样.这样的光在叠加时，一会儿在空间的某点相互加强，一会儿又在这点相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，所以不能发生干涉.这样的光是非相干光.只有频率相同、并满足一定条件的光才是相干光.激光是一种人工产生的相干光，这是它的第一个特点.


由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样进行调制,用来传递信息.光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物.


激光的另一个特点是它的平行度非常好.由于平行度好,所以在传播很远的距离后仍能保持一定的强度.激光的这个特点使它可以用来进行精确的测距.对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲和收到回波的时间间隔，就可以求出目标的距离.激光测距雷达就是根据这个原理制成的.多用途的激光雷达不仅可以测量距离，而且能根据多普勒效应测出目标的运动速度，从而对目标进行跟踪.


由于平行度好，激光可以会聚到很小的一点上.让这一点照射到VCD机、CD唱机或计算机的光盘上，就可以读出光盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像.由于会聚点很小，光盘记录信息的密度很高.


激光还有一个特点是亮度高，也就是说它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了.因此，我们可以利用激光束来切割各种物质，焊接金属以及在硬质材料上打孔.医学上可以用激光作“光刀”来切开皮肤、切除肿瘤，还可以用激光“焊接”剥落的视网膜.


原子核聚变时释放的核能是一种很有希望的能源.怎样使原子核在人工控制下进行聚变反应，这是各国科学家研究的重要课题.一个可能的实现途径是,把核燃料制成小颗粒，用激光从四面八方对它进行照射，利用强激光产生的高压引起聚变.


激光的应用远不止这些，而且还在不断发展.这方面的介绍文章很多，报刊、电视中也常有最新进展的报道，同学们应该留心.

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照相用闪光灯







照相用的闪光灯利用电容器的充放电来工作。闪光灯管工作的时间很短，大约只有(1/1000)s，工作电流却很大，可达数百安培，一般小型电源难以应付。电容器可以解决这个问题。闭合闪光灯开关后，电源以较小的电流用较长的时间为电容器充电，摄影时电容器通过闪光灯管迅速放电，发出耀眼的白光。


闪光灯用过一次之后要过几秒钟才能再次闪光，这段时间就是电容器的充电时间。

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眼睛的光学模型

单晓云

人类的眼睛是一个相当复杂的天然光学仪器。我们之所以能看到五光十色瞬息万变的景象，是因为眼睛接收了物体反射或散射的光，据统计，人类感官收到的外部世界的总信息量百分之九十是通过眼睛得到的。所以眼睛对我们是非常重要的。 　　眼睛的构造和作用如图4－15所示。眼睛的最外层是一层白色坚韧的膜，叫巩膜，巩膜的正前方曲率较大的一部分叫角膜，巩膜和角膜围成球形穴，常称之为眼球。角膜是透明的，其折射率为1．367，它是光束进入眼睛的门户。角膜后面的空间称为前房，其中充满折射率与水相近的水状液。前房之后有一中心带圆孔的彩色膜，称为虹膜，眼睛的特征颜色（如蓝色、褐色等）是由虹膜显示出来的，虹膜的中心圆孔即为瞳孔。靠近虹膜的后面是晶状体，它的外形如双凸透镜，并附着在睫状肌上。睫状肌的伸缩能调节晶状体的曲率，以达到调节焦距的目的。晶状体后面的空间称为后房，充满一种胶性透明体，叫玻璃体，共折射率约为1．336，玻璃体的透明外膜与视网膜紧贴着，视网膜上分布着复杂的视神经。 　　从几何光学的角度来看，人眼是一个由多个界面组成的复杂的共轴光学系统，进入眼睛的光线要通过一系列的界面的折射和反射，最后成像于视网膜。 　　对眼睛的精确计算是困难的，因为眼睛是多个折射面的复杂光学系统，其间折射率又不相同。实际计算时常进行简化和近似处理，可得到几种眼睛的光学模型，其中有一种常用的眼睛光学模型为高尔斯特兰（A．Gullstrand）简化眼。简化眼把眼睛看成如图4－16所示的单球面折射系统，认为眼睛只由一种介质组成，其折射率为1．33，折射面的曲车半径r为5．7毫米，并可算出简化眼的前焦距f等于17．1毫米，后焦距f′等于22．8毫米，其光焦度φ为58．48屈光度。眼睛的前后焦距不等，是由于眼睛的物方、像方折射率不相等造成的。 　　眼睛是接收器，任何助视仪器（如显微镜、望远镜等）都要通过眼睛起作用。眼睛的光学模型在教学上，医学中及光学仪器设计中都有广泛的应用。

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《墨经》



魏日升



　　《墨经》是《墨子》书中的重要部分，《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。墨翟是鲁国人（约公元前468～376），他是一个制造机械的手工业者，精通木工。墨子一派人中多数是直接参加劳动的，接近自然，热心于对自然科学的研究，又有比较正确的认识论和方法论的思想，他们把自己的科学知识、言论、主张、活动等集中起来，汇编成《墨子》。《墨经》有《经上》、《经下》、《经上说》、《经下说》四篇。《经说》是对《经》的解释或补充。也有人认为《经》是墨家创始人墨翟主持编写成自著，《经说》则是其弟子们所著录。《墨经》的内容，逻辑学方面所占的比例最大，自然科学次之，其中几何学的10余条，专论物理方面的约20余条，主要包括力学和几何光学方面的内容。此外，还有伦理、心理、政法、经济、建筑等方面的条文。

　　《墨经》中有8条论述了几何光学知识，它阐述了影、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成像，还说明了焦距和物体成像的关系，这些比古希腊欧几里德（约公元前330～275）的光学记载早百余年。在力学方面的论说也是古代力学的代表作。对力的定义、杠杆、滑轮、轮轴、斜面及物体沉浮、平衡和重心都有论述。而且这些论述大都来自实践。

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我国古代对光的直进的记载

魏日升

我国古代在光学领域里进行过经验性总结和实验探索，对光的直线传播、光的反射和折射、球面镜成像和光的色散等方面都取得辉煌的成果，在古代光学发展史上占有重要的一页。 　　《墨经》中对光的直进《径》是这样写的，“景到，在午有端，与景长。说在端”。对此《经说》解释道：“景：光之人，煦若射。下者之人也高；高者之人也下。足敝下光，放成景于上；首敝上光，放成景于下。在远近有端于光，故景库内也。”景即像，到即倒，端即点（小孔），交即交午（光线相交）。上面文中的意思是说，像是由于光线照到人体，交叉地通过小孔，在屏上成倒立的像。光犹如射出的箭那样直进。发自足部的光线，被遮去下部，成像在上；发自头部的光线被遮去上部，成像在下，如图4－1所示。说明小孔成像的原因是光的直线传播所致。“在远近”，是指人体相对于屏所处的位置变化，“有端于光”是指光通过小孔，“库内”指暗室。即人体离小孔由远而近，则暗室屏上的像由小变大。 　　对光的直进，北宋科学家沈括也做过精彩的描述。他在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞鸢（即一种鹰）和楼塔的影子成像于室内的纸屏上面，如图4－2和图4－3所示他。根据观察结果，在《梦溪笔谈》中写道：“……若鸢飞空中，其影随鸢而移；或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为富所束，亦皆倒垂……”。他还运用光的直线传播，科学地解释了日月蚀的成因和月相圆缺变化的规律。 　　宋末元初我国卓越的科学家赵友钦做过“小罅光景”实验，（就是小孔成像的实验），生动地描述光的直线传播，并对光源、小孔、像三者之间的关系，也得出定性的说明。特别是实验得出物体表面的照度随光源的强度的增大而增大，随距离的增大而减小的结论。这比西方同样的结论约早400年。

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光速的测量

魏日升

光速是有限还是无限，到17世纪还有争议，笛卡尔认为是无限的，伽利略认为是有限的。17世纪初，伽利略用测量声速的方法来测量光速，他让两个人各提一盏有遮光板的灯，并分别站在相距约1．6千米的地方，令第一个人先打开他的灯，同时开始计时；第二个人见到第一个人的灯亮时，立刻打开自己的灯；当第一个人看见第二个人的灯亮时，停止计时，这样测出光从第一个人到第二个人再返回所用的时间，再测出两地的距离，就可以计算出光的速度。从原理上讲，伽利略的方法是对的，但是实验失败了。这是因为光速很大，1／7秒能绕地球一周多，靠当时的条件在地球上用通常测声速的方法测光速是难以实现的。于是，人们把测光速的场地移到太空。在伽利略去世后约30年，丹麦王文学家罗默在观察木星的卫星食中，于1676年指出光速是有限的。 　　木星是一个周期为12年的太阳行星，它有11个卫星──木星的月亮，其中4个最亮的可用合适的望远镜看到，它们绕木星旋转的轨道平面几乎重合于地球和木星绕太阳旋转的轨道面。因而木星的卫星每绕木星一周将在进入木星影处发生一次蚀。最接近于木星的卫星，其周期是42小时28分16秒（约为7／4天），它走过自己直径那样的距离约需3．5分钟，因而用望远镜可以观察到它刚发生蚀的瞬间，在这个系统里，木星的卫星蚀，一方面作为一个信号供地球上人来观察，同时，此卫星蚀的周期过程又是一个准确的时钟，如果地球相对于木星的距离不变，或者光速为无限大（信号由木星那里传到地球不需要时间），则每隔42小时28分16秒自然就看到该卫星的蚀一次。但是，众所周知，光速不是无限大，并且地球每时都在改变着它与木星的距离，所以在地球上看到的木星的卫星相邻蚀之间的时间间隔是变化的。显然这个变化与地球相对于木星的距离的变化和光速的大小有关。 　　罗默经过长期细心的观察，他发现：在图4－4中，若地球在E1和木星在J1看到一次木星卫星蚀，再用平均周期推算此后任一次蚀的时间，则后一次蚀一般地并不刚好发生在所推算的时间。例如当地球在经过E1之后约三个月行至E2处，实际看到蚀的时间较推算出的时间延迟了约10分钟。这是因为当地球在作自E1向E2而达E3的运动时，地球与木星的距离在逐渐增大，自木星来的任一信号都必须比前一信号多走一些距离才到达地球。经过由E1到E2的三个月，所有相邻蚀的时间延迟的总和约为10分钟。当地球继续由E2经过E4而向E5运动时，地球与木星的距离在逐渐减小，自木星来的任一信号都比前一信号少走一些距离。罗默从他的测量得出，光走过与地球轨道半径等长的距离所需的时间约为11分钟。在罗默的时代只知道地球轨道半径的近似值，当取此半径为149．7×106千米时，算得光速c＝215000千米／秒。 　　在地球上较短的距离内用实验的方法测出光速是19世纪中叶的事了。1849年德国物理学家菲索用“齿轮法”测出光速。如图4－5所示，从光源S发出的光，射到半镀银的平面镜A上，经A反射后，从齿轮N的齿间空隙射到反射镜M上，然后再反射回来，通过半镀银镜射入观察者眼中。如果使齿轮转动，那么在光从齿间到达M再反射回齿间的时间Δt内，齿轮将转过一个角度。如果这时齿a和a′间的空隙恰好被a所占据，则反射回来的光被遮断，因而观察者将看不到光。但如果这时齿轮恰好转到下一个齿间空隙，由M反射回来的光从齿间空隙通过，观察者就能重新看到光。齿轮的齿数已知，测出齿轮的转速，可算出齿轮转过一个齿的时间Δt，再测出M、N间的距离，就可以算出光速。菲索当时测得空气中的光速：c＝315300千米／秒。1851年，法国物理学家傅科用旋转镜法测得空气中的光速：c＝298×108米／秒。傅科还第一次测出了光在水中的传播速度为2．23×108米／秒，相当空气中光速的四分之三。1924—1927年，美国科学家迈克尔孙综合菲索和傅科测光速方法的优点，用旋转棱镜法，在美国海拔5500米、相距35千米的威尔孙山和圣安东尼奥山进行实验，精确地测得光速：c＝299796±4千米／秒。非常接近1975年第15届国际计量大会决议采用的光速值c＝299792．458±0．001千米／秒。