物理爱好者

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圭表







　　圭表是古代用来计时的工具。相传从尧舜到春秋，我国已经利用立表测影来计时。表是一根直立的杆，太阳光照到表上，就投射出一条影子。“圭”是测影长用的工具，多数是用石料或铜料做成一条平板，并附有影标度，再在其一端立表就成为圭表。利用所测日影的长短可以定出几个较大的节气，如夏至影短，冬至影长。在一天之内，根据表影长短的变化，也可以知道大概的时间。

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日晷

张计怀

日晷也是一种利用太阳投影指示时间的工具。它由晷盘和晷针组成。晷盘是一个圆盘，晷面上有刻度；晷针安装在晷盘中央与盘面垂直。太阳照到针上，在盘面上产生投影。用日晷测时间不是根据日影的长度，而是根据日影的方向。按照晷盘面放置位置的不同，日晷分为赤道日晷、地平日晷、立晷和斜晷。赤道日晷的晷盘面平行于赤道面，晷针指向南北极；地平日晷的晷盘面平放于当地的地平面上；立晷的晷盘面垂直于地平面；斜晷的晷平面指向任一方向。 　　图4－6所示是置于北京故宫博物院太和殿前的清朝赤道日晷。晷盘两面都有刻度，分子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二时辰，每个时辰又等分为“时初”、“时正”，这正是一日24小时。由于太阳照射的角度变化，在“春分”以后看晷盘的上面；秋分以后看晷盘的下面。由于晷盘面平行于赤道面，晷针又垂直于晷盘面，所以晷针是指向地球南、北极的方向，而晷针与地平面的夹角正是当地的纬度。太阳照射时，晷针的影子随太阳的运动而移动，这样针影的位置不同，就能反映太阳的位置不同，也就反映出当天的时刻不同，正中午时，影子正好在针的正下方。

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太阳能







　　太阳辐射是地球上能量的主要源泉，据粗略统计，地球每年从太阳获得的能量相当于人类现有各种能源在同期内所提供能量的近万倍。如能把太阳辐射到地球的能量加以充分利用将是很有意义的。不过到达地球表面的太阳辐射能量，在不同地点（如纬度和海拔高度）、不同时间（季节和时刻）、以及不同天气（晴天和明天），是很不相同的。如四川、贵州地区因雨雾多等原因，太阳年辐射量较少，而青藏高原大气层薄而清洁，太阳年辐射量很大，是利用太阳能非常理想的地区。我国大部分地区地处北纬40°以南，日照时间长，具有利用太阳能的有利条件。

　　据北京地区的科学考察得出，北京市地面上平均日辐射总量约为16000000焦／米2·日，这个热量约相当于545克标准煤全部燃烧放出的热量。如果每家有2米2利用太阳能的装置，就等于1天节约1千克的煤，一年每家就可节约煤365千克。所以利用太阳能确有巨大的经济价值。

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太阳灶



魏日升



　　太阳灶是利用太阳能的一种装置，可以用它来烧水、煮饭、炒菜等。太阳灶的构造种类很多，最常见的为伞式太阳灶。它是根据凹面镜聚光的原理，把锅放在焦点附近。上海市试制一种伞式太阳灶，它由伞式反射镜面（直径1．6米），支架和锅架三部分构成，可以拆卸。在上海冬季的晴天（气温1～2℃，风力4～5级），40分钟可烧开2千克的水，五月份中午11点到12点（气温24℃）20分钟可烧开3千克的水，15分钟能煮熟1千克米饭，还可用来炒菜，熬中药等。各地推行的伞式太阳灶其规格大同小异，反射镜面有用小平面镜一块块拼成的，也有用抛光好的薄铝板的。还有制成折伞式的太阳灶，在折叠伞内面贴上一层涂铝的聚乙烯薄膜，这种伞雨天可以挡雨，晴天可以遮阳，将它打开内面对准太阳，就成了太阳灶。

　　制作太阳灶最好用抛物面反射镜来代替球面反射镜，同时安装上能使太阳灶朝着太阳转动的跟踪系统。这样能充分利用太阳能。大型的利用太阳能的装置大都是这样的。埃及有一台太阳能蒸汽机，功率为47千瓦，它的抛物面反射镜为80米2，并带有跟踪系统，用它抽水灌溉，能收到巨大的经济效益。法国有一座功率为1000千瓦的太阳能高温炉，它是当今世界上最大的太阳能高温炉，能产生约4000K的高温，可以用来熔化金属。我国江苏省海安县太阳能研究所研制的太阳能焊接机有效采光面积为4．85米2，焦斑中心最高温度达2000K以上，能够在8秒钟左右烧穿厚度为0．5毫米的钢板，还可以烧熔高速工具钢，焊接小尺寸的刀具只需90～200秒，并且焊接质量良好。

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哈哈镜

魏日升

顾名思义，哈哈镜就是能照得人发笑的面镜。当你站在哈哈镜前，你的脸可能被照得扁圆，你的上身可能被照得细长，你的腿可能被照得粗短……活像个“丑八怪”。如果你再换一个位置你在镜中的像又会换一个模样。哈哈镜为什么会把人照出各种丑相呢？这是由其特殊的镜面成像造成的。哈哈镜的镜面不是平的，有的部分是凸镜，有的部分是凹镜。我们知道，凹镜的成像公式为，1／u＋1／v＝1／f（u为物距，v为像距，f为焦距），当物体在2f外，像成在f与2f之间，所成的像是比物体小的倒立实像；当物体在2f与f之间，像成在2f之外，成的像是放大、倒立的实像；当物体在f以内，则出现放大的、正立的虚像。离镜越近，像也越大，这正是人从镜中看到的像。凸镜所成的像总是缩小的正立的虚像，离镜越远，像也越小。哈哈镜就是因为镜面各部分凸凹不同，因而所成的像有的被放大，有的被缩小造成的。比如当你对着一个上部是凹镜的哈哈镜时，你的头就会被放大，而且因为鼻子在脸部突出，离镜面更近，所以鼻子的像放大的倍数比脸上其他任何部分都大，结果就照出大鼻子。如果你对着一个上部是凸柱面镜的哈哈镜，因为镜子在竖直方向上并没有弯曲，所以在竖直方向上像与物长度相同，但在水平方向上由于是凸镜，像是缩小的，因此，脸在镜中的像就变成细长的了。同样道理，如果用凹柱面镜照你的脸，你会看到一个短胖的脸。如果把镜面做成上凸下凹的，照出来的人就是头小身体大的了。镜面做成上凹下凸的，照出来的人就是头大身体小的。要是将镜面做成各部分凹凸不平的，照出的像就是歪七扭八的“丑八怪”了。 　　其实，哈哈镜并不是什么稀奇东西。在我们周围就有各种各样的哈哈镜，如镀铝的台灯柱和家俱腿，自行车铃盖，罐头盒，不锈钢锅、勺，小汽车的外壳等等，都是不同形式的哈哈镜，它们都会使你的像变形。

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远东最大的天文望远镜



张计怀



　　1989年11月13日，我国科学家自行设计研制安装的我国最大的天文望远镜，在河北省北部兴隆县正式建成投入使用。这台天文望远镜也是远东地区最大的望远镜。望远镜的主镜直径为2．16米，筒重26吨，镜身重92吨，两根可转动的轴重44吨。整个镜总体包括光学、机械驱动、自控、探测等装置。它可以自动跟踪星体，测定银河系天体恒星的活动、星体周围物质的相互作用。望远镜上装有先进的CCD照相机，它比普通照相机底片要灵敏30倍，还装有先进的光导纤维摄谱仪，可以同时拍照20颗星体的光谱，测定星体的化学成份、温度、压力和速度等。这样可使望远镜的使用效率提高10倍。探测到的星体可以直接在屏幕上显示，还可以把数据存储在磁盘上，用计算机进行各种计算、分析和处理。由于镜面大，聚光能力强，可以观测到很暗的星体，相当于在两万千米以外一根火柴燃烧的亮度的星，也逃不掉它的“眼睛”。

　　我国的科学工作者、工程技术人员，在资料缺乏，技术较差的条件下，从1974年开始，历经15年终于制成了世界先进的大型望远镜。使我国天文观测技术进入世界前列，这是值得中华儿女自豪的。

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鱼在水中的视位置

单晓云

有经验的渔民，在叉鱼时，不是对准看到的鱼，而是对准所见鱼的下方，这是由于光在界面上的折射使得鱼在水中的视位置比实际位置升高的缘故。 　　我们先作一下定性解释。如图4－8所示，从鱼头P0发出的光线P0A1、P2A2分别在水和空气的界面A1、A2处发生折射，沿A1B1、A2B2方向进入眼睛，由于人眼在直觉上总是认为光是沿直线射来的，所以人觉得折射光线A1B1、A2B2是从它们延长线的交点P0′射来的，P0′就是眼睛看到的P0的像。同理眼睛看到的P点的像在P′处。鱼的视位置比鱼的实际位置升高了。 　　如果我们作一些定量分析，还可以发现不仅鱼的位置升高了，而且由于光折射的结果，产生了像散，像的清晰度也由于像散而受到破坏。 　　如图4－9所示，我们选OX轴为空气和水的分界面，n为水的折射率，n0为空气的折射率。鱼身上的某点P为发光点，以OP为y轴，则P点的坐标为（0，y）。PA1、PA2为P发射的单心光束中两条靠得很近的光线，入射点A1、A2的坐标为（x1，0）、（x2，0）。入射角为i1和i2，折射角为i1′和i2′。折射线A1B1、A2B2向后延长分别交y轴于P1（0，y1）、P2（0，y2），并且它们在图平面内相交于P′点。 　　由图中三角形POA1，POA2得： 代入折射定律，并解出y1，则有 　　用同样的方法可以求出y2有类似的形式。 　　同样我们也可以计算出A1B1、A2B2两条折射线的交点P′的坐标（x′，y′）分别为 　　因为n＞n0，所以x′＞0，即P′点在oy轴的右边。 　　现让我们回过头来分析（2）式。由（2）式可知，当P的位置一定时（y不变），P1点的位置(O，y1）将随入射点A1的位置（x1，0）的不同而变，在式中，因为是负的，故x1越大，y1越小，即入射点离Oy轴越远，P1点离Ox轴越近。由此可知，A1B1与A2B2的交点产P′必在Oy轴之右。从P点发出的并位于PA1与PA2之间的所有光线的折射线延长后都交于P′点附近，而与Oy轴交于P1和P2两点之间。P1、P2、P′三点不重合，这说明从P点发出的单心光束，经水面折射后变成了像散光束。只有当P发出的光束几乎垂直于界面时（i1＝0），P1、P2、P′三点才几乎重合，即在水面上沿竖直方向向下观看水中鱼时，所见像是清晰的，此时像的深度y′称为像似深度，。因为n＞n0，所以鱼的像似深度，总是小于鱼的实际深度。而入射光的方向越倾斜，折射光束像散就越显著，也就是说，在沿着倾斜角度较大的方向观看鱼时，鱼的像不仅由于折射而上升。而且清晰度也由于像散而受到破坏，人们看到的将是一个模糊的，比实际位置上升的虚像。