物理爱好者

漫步云涧

空中虹霓

单晓云

夏季雨后，在对着太阳那边的天空，常会出现彩色圆弧，伴有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。这种圆弧常出现两个，其中红色在外、紫色在内颜色鲜艳的叫“虹”，另一个紫色在外、红色在内颜色较淡的叫“霓”，人们称这种美丽的自然现象为虹霓。 　　自古以来就有许多解释虹霞的神话。它是怎样形成的。为什么有如此美丽的颜色？为什么虹的颜色比霓的鲜艳？为什么虹是红色在外、紫色在内，而霓则相反，等等。 　　我国早在殷代甲骨文里就有了虹的记载，当时把虹字形象地写成“＝”。到了唐代，对虹有了比较科学的解释。唐初孔颖达（574一648）在《礼记注疏·月令》中写道：“若云薄漏日，日照雨漏则虹生。”这里已粗略地揭示了虹的成因。在欧洲，英国科学家罗吉尔·培根（1214～1292）最早指出虹霓是由太阳光照射空中的雨滴，发生反射和折射现象而形成的。牛顿（1642～1727）根据他发现的光的色散现象，首先解释了虹霓美丽色彩的成因。从而人们知道，雨后，空中悬浮着一些小水滴，太阳光以一定的角度射入水滴并在水滴内发生折射和反射，然后再从水滴中射出，进入眼睛，我们就看到了虹霓。由于水滴对波长不同的各单色光的折射率不同，于是太阳光在水滴中折射时，发生色散现象。紫光偏折最厉害，红光偏折最小，其他颜色的光夹在这两者之间。色散后的各单色光在水滴内表面上反射，再从水滴折射到空气中，就形成了彩色条带。虹霓的美丽色彩可以说是太阳可见光谱的自然体现。 　　为什么虹比霓的颜色鲜艳，而且彩色排列的秩序相反呢？这是因为，虹是射在水滴上部的太阳光，经折射后，在水滴内表面上反射一次，再折射出水滴而形成的，如图4－10所示；而霓则是由射入水滴下半部的太阳光，在水滴内折射后，在其内表面经两次反射，再折射出水滴形成的，如图4－11所示。所以两者红光和紫光上下排列的次序相反。正是因为形成霓的光线在水滴内反射的次数较形成虹的光线在水滴内反射的次数多，能量损失大，所以霓的色彩较虹的暗淡。 　　虹霓的形状和颜色在物理上得到了解释，但它们还隐藏了人的肉眼看不见的秘密，这就是虹霓的偏振现象。如果用偏振片或尼科耳作为检偏器观察虹霓，会发现当检偏器转到一定的方向时，虹霓的一部分便隐去了，这证明虹霓是部分偏振光，经计算还可发现虹霓的偏振度很高，近乎是线偏振光。

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海市蜃楼

单晓云

大自然是变幻无穷的。夏日里在平静的海面上，有时竟会耸起楼台亭阁，繁华闹市，甚至会见到仿佛在空中航行的船舶。沙漠中，也会出现这类情形。这就是人们常说的海市蜃楼景象。 　　世界上最著名的一处海市蜃楼发生在意大利墨西那海峡对面的西西里岛。墨西那市映射在天空中，神奇的城堡飘浮在天上。意大利人称它为法达·摩根，因为传说中摩根是引起海市蜃楼的魔女。 　　我国山东省蓬莱市蓬莱阁对面的海域，1988年6月17日出现了罕见的海市蜃楼奇观。从蓬莱阁向北望去，在长达50多千米的海面上耸立着从未见过的岛屿，岛上有清晰可见的高楼大厦，冒着烟的烟囱。种种奇观，历时约5小时，就像神话世界一般。有幸的是人们第一次拍摄到了海市蜃楼的实况，电视台不止一次地播放，使更多的人欣赏到这一奇特的自然景观。 　　海市蜃楼是在特殊的气象条件下，光线通过折射率不均匀的大气层引起的光学现象。我们知道，光在均匀介质中沿直线传播，远处望去，只能见到地平线以上的景物。但光在非均匀大气层中传播，光线就会发生弯曲。如图4－12所示，大气由一层层折射率不等的介质密接组成，（每一层的厚度趋于零，层数趋于无限大）。如果空气层的折射率从下向上由大到小连续变化，即 　　n1＞n2＞n3……＞nm…… 根据光的折射定律有 　　n1sinθ1＝n2sinθ2＝n3sinθ3＝……＝nmsinθm…… 则有 　　θ1＜θ2＜θ3……θm…… 折射角越来越大，光线就会逐渐偏离法线方向而弯曲。在折射率连续变化的极限情况下，折射光线就变成了一条连续曲线。反过来，如果从下至上折射率是由小到大连续变化的，则折射角越来越小，光线就会逐渐靠近法线而弯曲。 　　在某种特殊气象条件的海面上，大气上层由于日晒不断增温，而下层则由于水的蒸发吸热作用，温度不断下降，出现接近海面的大气层温度上高下低连续变化的温度梯度。又由于温度越低大气密度越大，折射率亦越大。放在海面上形成了上小下大连续变化的折射率梯度，如图4－12所示，如果在远处有座楼阁，平常看不见。在上述气象条件下，从楼顶点发出的光线，以某一角度向上射入空中。由于大气折射率从下到上逐渐减小，光线不断折射，折射角逐渐增大，光线将越来越偏离法线而向着地面方向“弯曲”。当到达某一气层时，满足全反射条件，光线就会发生全反射，而转向地面传播。在反射光线的传播方向上，由于大气的折射率从上到下逐渐增加，所以光线越来越靠近法线，从而继续弯向地面。到达观察者的眼睛。由于人眼习惯了光的直线传播，所以观察者觉得光线似乎是从空中射来的。其他各点也是如此，这样就看到了空中的楼阁。 　　在沙漠中会出现相反的情况，在烈日照射下，地面的温度很快升高，近地大气层的温度上低下高，大气密度变得上大下小，折射率亦上大下小，形成了上大下小连续变化的折射率梯度。这时如果远处有座宝塔，如图4－14所示，塔顶发出的光线射向地面，光线不断折射，折射角逐渐增大，光线越来越偏离法线而向上弯曲。当光线射到靠近地面的某一气层时，满足全反射条件，发生全反射。到达观察者的眼睛。观察者则觉得光线是从下面发出的。这时，在观察者看来，前面好像有一片水面，倒映着岸边的景物。 　　不仅在海边和沙漠中能看到蜃景，夏天，在公路上有时也会发现前面仿佛有一层水似的，倒映出周围的景物。这是因为在烈日下靠近路面的空气比上面的空气热一些，密度小一些，光线发生折射造成的，这与沙漠中的蜃景属同一种现象。

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我国历史上的冰透镜



魏日升



　　关于冰透镜，早在我国西汉（公元前206～23年）《淮南万毕术》中就有记载：“削冰令国，举以向日，以艾承其影，则火生。”其后，普朝张华的《博物志》中也有类似记载。

　　冰遇阳光会熔化，冰透镜对着太阳确能聚光使艾绒着火，令人怀疑。清代科学家郑复光（1780～？）根据“淮南万毕术”的记载，亲自动手做过一些实验，完全证实冰透镜可以取火。他在“镜镜冷痴”中写道：将一只底部微凹的锡壶，内装沸水，用壶在冰面上旋转，可制成光滑的冰透镜，利用它聚集日光，可使纸点燃。

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海水为什么是蓝色？



单晓云



　　站在海边，极目远望，大海是蓝色的。然而，当你舀起一盆海水观察，你会发现海水是无色透明的。大海的蓝色是从何而来的呢？

　　选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。在一定的波长范围内，若物质对通过它的各种波长的光都作等量（指能量）吸收，且吸收量很小，则称这种物质为一般吸收；若物质吸收某种波长的光能比较显著，则称这种物质具有选择吸收性。太阳光照射到海面时，一部分光被反射回来，另一部分光折射进入水中。进入水中的光线在传播过程中会被水吸收。水对光的吸收与光的波长有关，即水具有选择吸收性。水对波长较长的光吸收显著，对波长较短的吸收不明显。红光、橙光和黄光在不同的深度时均被吸收了，并使海水的温度升高。到一定的深度绿光也被吸收了。而波长较短的蓝光和紫光遇到水分子或其他微粒会四面散开，或反射回来。所以当海水明净清澈时，目光中被海水吸收最少的蓝光和紫光就反射和散射到我们眼里，我们看见的大海就呈现出蓝色。

　　人们自然会提出这样一个问题，紫光波长最短，散射和反射应当最强烈，为什么海水不带紫色呢？实验表明，人眼对紫光很不敏感，因此对海水反射的紫光视而不见。所以海水不呈现紫色，完全是因为人眼没有如实反映情况的缘故。

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浪花和雪花为什么是白色的？



单晓云



　　众所周知，纯净的水是无色透明的，那么为什么拍击堤岸的浪花和纷纷扬扬的雪花却是白色的呢？

　　透明就是能透过光线。水之所以是无色透明的，是因为水在不深的情况下，各种颜色的光都能透过。而浪花的情况就不同了，浪花主要是由泡沫和一些小水珠组成，泡沫的表面是水膜，小水珠就像一些小棱镜；当光线照在泡沫和水珠上时，会在它们的表面发生反射和折射。折射到泡沫和水珠内的光线，射出时又会碰到周围的泡沫和水珠的表面，又将发生反射和折射……。最终光线经过多次折射和反射后，从各个不同的方向反射出来。又因泡沫和水珠的表面对各种颜色的光反射机会几乎是均等的，不是选择反射，所以在日光下浪花呈白色。

　　雪花呈白色与浪花呈白色的道理是一样的。由于构成雪片的冰的结晶体结构复杂，有许多反射面，能使光线充分地反射和折射，结果雪花就呈现洁白的颜色。

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人的眼睛在水底下

设想你能在水里潜伏无论多久，同时还能睁开眼睛。请问这时候你在那里能看见东西吗？ 　　看来好像只要水是透明的，在水里看东西就应该和在空气里一样清楚。可是，我们可以回想一下上面所说的隐身人，他所以看不见东西，是因为他眼睛的折射率和空气的折射率相同。我们在水里的时候，所有的条件同威尔斯的隐身人在空气里的条件是接近的。看一下数字就更清楚了。水的折射率是1．34，而人眼里各种透明物质的折射率是： 角膜和玻璃体……………………………………………134 晶状体……………………………………………………143 水状液……………………………………………………134 　　可以看出，晶状体的折射率只比水大1／10，而我们眼睛的其他部分的折射率都和水相等。所以在水里，光线在人的眼睛里所形成的焦点是在视网膜的后面很远，因而在视网膜上所显现的物像就一定很模糊，使人很难看清要看的东西。只有非常近视的人才能在水底下比较正常地看到东西。 　　如果你希望想象一下在水底下看到的东西是什么样子的，那你可以戴上一副度数很大的近视眼镜（双凹透镜）。这时候，被折射到眼睛里来的光线，在视网膜的后面很远的地方形成焦点，结果你看周围就会出现一片模糊。那末，人能不能靠折光很强的眼镜的帮助，在水底下看到东西呢？ 　　眼镜上所用的普通玻璃，在这里不大适用：普通玻璃的折射率是l．5，也就是只比水的折射率（l．34）大一些，这样的眼镜在水里的折射光线的能力非常弱。一定要使用折光能力极强的特种玻璃（折射率差不多等于2的所谓铅玻璃）。戴着这样的眼镜，我们就能大致清楚地在水里看到东西（关于潜水用的特制眼镜，请看下节）。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　现在可以明白，鱼的晶状体为什么会特别的凸出了。鱼有球形的晶状体（图255），它的折射率在我们所知道的一切动物的眼睛当中是最大的。不然的话，这些生活在折光能力很强的透明环境里的鱼类，就差不多等于没有眼睛。

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潜水员是怎样看东西的

有些读者一定会问，如果我们的眼睛在水里几乎不能折射光线，那末穿着潜水服工作的潜水员又是怎样在水底下看东西的呢？要知道潜水员所戴的面具常常是装着平玻璃，而不是装着凸玻璃的。还有，儒勒·凡尔纳的“鹦鹉贝”号里的几位乘客们，能不能透过潜水艇的窗子观赏一下水下世界的风景呢？ 　　放在我们面前的是个新问题，但是也并不难回答。要回答这问题，先要注意：我们没有穿着潜水服到水底下的时候，水是直接同我们眼睛接触的；戴了潜水面具（或者坐在“鹦鹉贝”号的船舱里），眼睛和水之间就隔了一层空气（还有玻璃）。这就在本质上改变了整个情况。从水里来的透过玻璃的光线，先要遇到空气，通过空气以后才进入眼睛。从水里用任何角度射到一块平玻璃上的光线，按照光学原理，在走出玻璃的时候并不改变方向。可是以后从空气进入眼睛的时候，光线当然又会折射。在这种条件下，眼睛所起的作用，同在陆地上完全一样。要解答这个使我们觉得迷惑的问题，关键就在这里。我们可以十分清楚地看见养鱼缸里的游鱼，就是这一点的极好的说明。