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第15章 有趣的光学(1)

黑暗“终结者”:神奇的光

美人复活记

人去世之后,就会永远地离开这个世界,活着的人思念他们的时候也只能怀念,难道真的没有起死回生的方法吗?有,而且早在汉朝这种方法就已经出现了。

西汉的汉武帝开辟了汉朝繁荣昌盛的一个高潮,他一上台,就加强了对地方和边境的控制,发展农业和水利,强化对百姓的统治,推崇儒家学说,使得天下充满了祥和稳定的气氛。可是,作为这太平盛世的缔造者,汉武帝却并不开心。这是为什么呢?

原来,他非常喜欢一位女子——李夫人,她长得窈窕俊美,能歌善舞,深得汉武帝的宠爱。李夫人生病的时候,汉武帝曾经亲自前去床前问候。但就算是这样,汉武帝依然没有挽回李夫人的生命,她最终还是撒手而去。

虽说汉武帝妻妾成群,但是他对对李夫人的思念丝毫没有减少,经常在深夜看着李夫人的画像发呆。

有一天,他把少翁叫到面前。这个少翁是个出名的方士。什么是方士呢?就是我国古代好讲神仙方术的人,什么修炼成仙啊,长生不老啊,能见鬼神啊,总之就是具有各种各样神秘能量的人,这些人很得统治者的信任。据说少翁活到了两百岁仍然面如童子,所以得名“少翁”。

汉武帝对他十分信任,认为少翁一定有办法缓解自己的思念之情。

“朕非常思念李夫人,能否再见她一面?”汉武帝问。

“可以,但是只能在远处看,不能同在一个帷帐内;只能夜晚见,不能在白天相逢。”

“那怎么才能见到呢?”

“深海里有一种潜英石,青色,有暗花,它轻如羽毛,极冷温暖,极热时又冰凉。如果能够取来潜英石,将它制成李夫人的模样,皇上便能见到李夫人了。”

少翁的一席话,让武帝心动不已。他立即派人去寻找潜英石,少翁拿到潜英石后,立马就动工按李夫人的画像将石头刻成人形。

入夜,一切准备就绪,少翁让汉武帝坐在一个帷帐里观看。少翁自己则在另一个帏帐中,他面前灯烛齐明,列案摆着美酒肉脯,口中念念有词。这时,李夫人出现在前面的帐中,武帝顿时心花怒放。不过时间不长,李夫人就徐徐退去,武帝没能靠近她。李夫人翩翩而来又匆匆离去,这让汉武帝更添相思之苦,于是悲从中来,做了一首诗:“是也非也,泣而望之,偏何姗姗其来迟?”

其实,与其说少翁是一个方士,不如说他是一个物理学家。他只是利用了光影的关系来让李夫人起死回生的。在光线的传播过程中,如果被物体挡住,物体后面就会出现影子。所以,成影要具备三个条件:光源、物体和屏幕。在少翁的影戏中,光源是灯烛,被光照射的物体是李夫人的潜英石刻像,屏幕是帷帐。刻像的影子投射到帷帐上,就显现出李夫人的大体模样。移动刻石时,影子也移动,这就好像是李夫人在走动。

如今,这种利用石刻的影子来表演的影戏被称为“石影戏”,少翁的小花招是我国历史上最早记载的影戏。除了石影戏,大家还见过哪些影戏呢?

【物理碰碰车】

民间的光影戏法——皮影戏

皮影戏,又叫“影子戏”,是一种以兽皮或纸板做成的人物剪影,在灯光照射下用隔亮布进行表演的傀儡戏。表演时,艺人在白色幕布后面一边操纵戏曲人物,一边用当地流行的曲调讲述故事,配合传统的打击乐和弦乐,富有浓厚的乡土气息。

皮影艺术起源于陕西、山西和河南等地,四川、福建、广东、湖南、河北等地区也有分布。其中陕西的皮影最为出名,其皮影形象继承了传统画像的概括手法,而脸谱、服装吸取了戏曲的精华。现在,皮影戏已经被录入“非物质文化遗产”,走向世界指日可待。

最喜欢走捷径的光线

你知道树荫下的光斑是怎么形成的吗?那其实就是光沿直线传播的特性引起的。在同种介质中,光是沿直线传播的。不过,这个结论,几千年前就被人发现了。

2000多年前的一天,正在树下乘凉的思想家墨子发现了光斑现象,马上回家做了实验。这就是世界上最早的光直线传播实验——小孔成像实验。他在一间黑暗小屋朝阳的墙上开了一个小孔,让人对着这个小孔站在屋外,此时,屋里相对应的墙上就会出现一个倒立的人影。由此,墨子得出结论:光穿过小孔时是沿直线进行的。由于人的头部遮住了上面的光,形成的影子就在下面,而足部遮住了下面,影子就在上面,因此形成了倒立的影子。

这就是影子的来源!光从光源发出来,沿直线前进,忽然,前面有人挡住了路,光照不过去了,于是,在不透光的人后面没有光照的地方就形成了影子。而影戏,是利用纸剪或雕刻的人、物在白幕后表演,并用光照射,人、物的影像就会映在白幕上了!

这个“小孔成像”的实验证明了光是一个小懒虫,最喜欢走捷径。在同一种介质中只会沿直线传播,也就是说它会在传播时,选择一条最短的路线,即便是那种不能够直接到达,需要中途经过镜面反射时,它也会选择一条用时最短的路线。

【物理碰碰车】墨家眼中的“物和影”

墨家利用光的直线传播特性,解释了物和影的关系。飞翔着的鸟,影子也仿佛在飞。墨家分析了光、鸟、影的关系之后,认为影子自身并不直接参加运动。墨家指出,鸟影是由于直线行进的光线照在鸟身上被鸟遮住形成的。鸟在飞动中,前一瞬间出现影子的地方,后一瞬间就被光照射消失了;新出现的影子是后一瞬间的光被遮住而形成,已经不是前一瞬间的影子。墨家由此得到了“景不徙”的结论,也就是说影子不直接参加运动。墨家不仅解释了一种科学现象,而且其中还蕴含着哲学原理。在2000年前,能够有这种解释,是相当可贵的。

倒立的画像

古代的时候有这么一个不靠谱的画家,别人找他作画,他不好好画,经常是过了很久手上还只有一块画板。但是主人家听了他的建议之后又能马上拿到画,所以很多人家都对他是无可奈何。什么画家这么厉害,不用画画就能收钱呢?下面的故事能告诉你答案。

柯达是世界500强企业,在人们心中具有很高的地位。又是一次招聘会,毕业于北京某名牌大学的何娟前往招聘现场找工作,柯达公司前面人山人海,她好不容易才把简历递过去。

过了几天,她收到了柯达的面试通知,与其他学生一样做完一道试题之后,主管就让他们回去等通知。几天时间过去了,何娟又收到了柯达公司的通知,她入围了复试,这一次五人一组去面试,到了最后一道题时,主考官问他们:“你们说说照相机的来历吧。”其他人都被难住了,此时的何娟胸有成竹地说:“照相机的发明也经历了一个漫长的阶段。”

“2000多年前,我国的韩非子在他的著作里说到过,有个人请画匠为他画像,可是3天以后他看到的只是一块木板,便勃然大怒。可是,这位画师胸有成竹地说,‘别急,请你修一座不透光的房子,在房子一侧墙上开一个大窗户,你就可以看到对面墙上你的画像啦!’画匠说得有板有眼,这个要求画像的人也只好将信将疑地照着这样做了。果然,墙上出现了自己的‘画像’——当然,这‘画像’倒立的。”

“这就是物理学上的‘小孔成像’原理,照相机是根据这一原理研制而成的。”

“到了16世纪,意大利画家根据这一原理发明了一种‘摄影暗箱’,具有照相机的某些特征。这种‘摄影暗箱’能不能称为照相机呢?不能,因为它并不能把图像记录下来,还要用笔把投影的像描绘下来,这只能叫投影,不叫摄影。”

“接着达孟尔发现一种特别先进的感光材料——碘化银,用它做成银板感光片进行感光处理才能较好地显现出图像来。至此,世界上第一架有实际意义的照相机问世了。”

“不过,那时候的照相机很笨重,体积大,搬运不方便,而且还没有发明电灯,照相要选择晴朗的天气,要让照相的人在镜头前端端正正地坐上半个小时。为了使自己的姿容永留人间,达官显宦们还是耐着性子等待。”

“后来兰德和宝利金发明了‘一次成像’的照相机。拍摄一张照片,只需要短短的几十秒。现在,科学家又发明了不用胶卷、清晰度高的数码照相机。”何娟说。

这一段精彩的描述征服了现场的主考官,何娟被录用为柯达的员工。

从这段故事中,除了能够找到那投机取巧的画师,你有没有发现光学原理与照相机之间的关系呢?说说看。

【物理碰碰车】数码相机之父——塞尚

赛尚1973年硕士毕业之后就加入了柯达公司,成为应用电子研究中心的一位工程师。1974年,他担负起发明“手持电子照相机”的重任。次年,第一台原型机在实验室中诞生,他也因此成为“数码相机之父”。

色彩斑斓的光线家谱

对我们来说,颜色这东西并不陌生,眼睛所到之处随时都有颜色闯入眼帘。可是,如果问你颜色到底是什么,它从哪里来,也许很多人都会瞪大眼睛,随后摇摇头。颜色,几乎成了人类生活中最熟悉的陌生人。

其实,颜色的产生来源于物体与光之间的相互作用,是物体反射可见光的结果。电磁波有着不同的波长,可以对人眼产生刺激的电磁波的波长在380~780nm(即纳米,1nm=10-9m)之间,处于这一范围内的电磁波被称为“可见光”。可见光是由7种颜色的光波组成的,按照波长从长到短排列是红-橙-黄-绿-青-蓝-紫,这种按一定顺序排列的光就是光谱。

可见光的光谱是17世纪伟大的科学家牛顿用三棱镜观察到的。不过,这光谱并不是科学家的专利,也不需要专业的仪器。如果看到过彩虹,那么你就见过自然界最壮观的光谱了!在这光谱中,能用肉眼看见的,就是可见光,不能用肉眼看见的,就属于不可见光。

言归正传,那么电磁波是如何变成“色彩”钻进大脑中的呢?电磁波想要变成颜色,必须备好下面三件“宝物”:可见光、物体以及信号接收器——眼睛。

看到颜色的方法主要有三种。由光源发出的色光被称为“光源色”,带来温暖的阳光是我们最为熟悉的一种光源,此外,荧光灯、白炽灯、蜡烛这类光源也比较常见。但是,电视机、电脑显示器也是一种光源,你一定没想到吧?这些光源发出的光直接被眼睛接收,这是看到颜色的第一种方法。

第二种看到颜色的方法是最常见的。以红色苹果为例,这个“红色”是苹果表面反射可见光后呈现出来的颜色叫做“表面色”。那么表面色是如何产生的呢?我们依然以红色苹果为例。当可见光照射到苹果上之后,除红色之外的其他颜色的可见光全部被苹果吸收了,而未被吸收的红色光则被反射出来,这些被反射的红色光刺激眼睛,此时大脑就会告诉你:“这个苹果是红色的。”

第三种看到颜色的方法是透过色刺激眼睛。可见光通过透明或者半透明物体时所呈现出的颜色被称为“透过色”。童年的时候,我们都有过拿着彩色玻璃看太阳的经历,实际上我们看到的颜色就是“透过色”。与表面色的形成相似,透过色是由于透明或者半透明物体吸收了其他的颜色,剩下的一种或者几种未被吸收的颜色刺激眼睛之后,大脑就会对所看到的颜色做出反应。

总而言之,光的本质是一种电磁波,这种电磁波与物体相遇之后产生了奇妙的物理变化,这种神奇变化的产物就是色彩。

【物理碰碰车】不一样的彩虹

在我们的印象中,彩虹都是七种颜色组成的,这七种颜色分别是“红-橙-黄-绿-青-蓝-紫”。不过,如果你在英国和美国说彩虹有7种颜色,人们一定会用看怪物一样的眼光来看你,因为在他们的观念中,彩虹只有6种颜色。而德国人和法国人则认为彩虹只有5种颜色,甚至有的国家和地区认为他们的彩虹只有四色或者三色。

其实,各地的人看到的彩虹并没有区别,而是教育的差别造成了人们对色彩不同的认识。事实上,彩虹是一条连续的色彩带,包括无数的颜色,人们是为了方便把彩虹划分为7种颜色而已。那些把彩虹划分为更少颜色的国家和地区也许比我们更贪图方便吧!

增白剂中的光学秘密

洗衣粉的广告中经常会提到洗衣粉的去污能力超强,可以让白色衣服洁净如新。绝大多数消费者都认为这是洗衣粉中所含的化学物质善于去除污渍,但实际上,生产商应用的是物理原理,你一定没有想到吧?

青青小的时候只有一件白衬衫,这件衬衫是妈妈专门买来让她在少先队日的时候穿的。青青非常珍惜这件衣服。随着穿的次数增多,衣服渐渐发黄,青青心里暗自心疼。不久,她得到了一个小偏方,说是洗衣服的时候在水盆里滴几滴纯蓝墨水,漂洗过后白衬衫就会变白。青青洗过之后,发现衣服真的变白了,但是不知道是为什么。

带着这个问题,青青找到了自然老师。老师带着青青一起来到实验室,老师对青青说一个小实验就可以解决你这个小问题。老师拿出一包增白剂,在碗里加水调匀,然后叫青青把实验室的窗帘拉严,并用强光照射。青青吃惊地发现溶有增白剂的水竟然发出了蓝盈盈的光芒。

原来,增白剂并不是真正把衣服上的黄色褪掉,只是欺骗了你的眼睛。增白剂在阳光中紫外线的照射下会发出蓝色的荧光,这种蓝色荧光和衣服上的黄色光混合起来再进入你的眼睛时,你就感觉到这是白色的,所以增白剂并不是与衣料或者污物相互作用,而是通过物理原理影响衣物的观感。许多洗衣粉和肥皂里都是添加了增白剂来让衣物看起来更白,而不是利用去污剂来增白。

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