我们都是科学家——那些妙趣横生而寓意深远的科学实验(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：薛加民著

出版社：《无线电》、《高保真音响》杂志社

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我们都是科学家——那些妙趣横生而寓意深远的科学实验试读：

亲爱的读者，你想知道激光笔发出的光为什么那么集中，颜色为什么那么单一吗？你想知道磁悬浮列车是怎样运行的吗？你想知道信息是怎么在光缆里传送的吗？你想知道全息照相是怎么回事吗？

有读者会说了，这还不简单，有问题上百度、Google搜索一下呗！

但是，正如古人所言，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”唾手可得的知识往往迅速被遗忘，而亲手验证过的知识却能铭刻于心，亲手做科学实验，正是本书的宗旨。通过阅读本书，读者将和我一起，通过搜集一些不难得到而且便宜的材料，亲自动手实验来一步一步解答我们心中对于科学的一些疑问，体验一些平日里看起来遥不可及的“高科技”。我们将通过解剖一支激光笔来了解激光产生的原理（你会发现激光并不一定生来就是一束细细的光线！）；我们将通过制作磁悬浮装置来实践极其丰富的物理，电子知识（把做好的装置展示给朋友们看，一定会让他们惊讶！）；我们将用一束激光来传递声音（现代光纤通信的鼻祖）；我们将用两三个部件来亲手制作一张全息相片（真正的3D相片在你的双手中诞生）。想了解其他更多有趣而且科学含义深刻的实验，请浏览本书目录。其中每一章都是一个完整的实验，有理论简介、材料选择、制作过程和拓展加深。

市面上有不少关于动手制作的书，但大部分都是关于电子制作的，而关于科技制作的书（或网站）则大多属于“小学生科技制作”之类，读起来有点“幼稚”。本书的读者将以喜欢动手的科学爱好者为主，制作的内容都有比较深刻的科学含义（主要是物理学），很多还能联系到当今科学研究的前沿。虽然如此，每个实验的基本原理和制作过程却是高中知识水平就能理解和实践操作的，如果牵涉到比较复杂的科学，书中都尽量以高中知识为基础加以解释，并提供相关的资料来源供读者进一步学习研究。制作所需要的材料，都是能从网上买得到的、老百姓买得起的东西。

著名的物理学家费曼在他的《别闹了，费曼先生！》（强烈推荐读者阅读）一书中提到了这么一个故事：“师生不求甚解，教科书也是：（摩擦发光（Triboluminescence）：当晶体被撞击时所发出的光)这样的句子，只是教名词，只是用一些字说出另一些字，一点都没提到大自然—没有提到撞击什么晶体会发光。学生看了，会不会想回家做实验呢？不会，他们根本不知怎么做。可是，如果你写（在黑暗中拿钳子打在一块糖上，会看到一丝蓝光。其他晶体也有此效果，这叫作摩擦发光）。那么就会有人回家试着做，这是一次与大自然的美妙相遇经验。”由此可见，大师对于“动手实践”的推崇。我在读了费曼的这个故事后，找来了冰糖进行尝试，并未成功。后来搜索查询，得知要用不透明的硬糖来做这个实验，原因不详。于是我买了一袋水果硬糖，放在一个玻璃瓶里，在黑暗里使劲摇晃。果然！能看到撞击下的糖块发出星星点点的蓝色微光！

读者在尝试本书中的实验时，很有可能会一次一次地遇到我上面提到的经历，一开始遇到些挫折，是非常正常的。毕竟书中的实验都比较“高科技”。每个人所能得到材料略有差别，或者有一些细小的问题文中没有提到。实际上，本书将会着重突出原理和制作的关键，把细节问题和细微设计留给读者自己完成，这样读者就会把本书当作引导，当作“idea”的来源，而不是按部就班地机械重复（大学生朋友们一定记得，自己的实验课本是如何让我们只能按部就班地按几个按钮，抄录一些数据，把一个个有趣的实验活生生地变得索然寡味，把与大自然的美丽邂逅变成老师安排的形式化的“相亲”）。

读者会发现，正是那些大大小小的可以被克服的挫折让实验的过程充满挑战，让成功的喜悦倍加珍贵。相信通过亲手尝试，你能够一次次地“与大自然美妙地相遇”！薛加民2013年1月推荐序1

Dear Chinese reader,

The book in your hand is a collection of fun and inspiring amateur science projects. The author, Jiamin, was a PhD student in my group in the physics department of the University of Arizona. I witnessed and sometimes participated in the creation of more than half of the projects in my lab. We played with the diamagnetic levitation (Chapter 7) and levitron (Chapter 8) together. From time to time Jiamin would show me other interesting stuff he made in his spare time, such as the bending laser light in sugar water (Chapter 2) and PID controlled magnetic levitations (Chapter 16) etc. Even the day before he left our lab to work in another city, he was trying to measure the microwave leakage from the microwave oven in our lab (Chapter 4). Fortunately, he didn’t break the oven.

Jiamin did all these projects in a lab filled with instruments costing hundreds of thousands of dollars. However, he did not use any of this equipment for these projects. So you can also enjoy the fun experiments at home with a little bit of spare money and lots of spare time, and explore some quite broad and deep science topics. Even a professional scientist can find something new and interesting from reading the book and experimenting with the project ideas.

Time to get your hands dirty and start working on them!

Best wishes,

Brian LeRoy

Tucson, Arizona

亲爱的中国读者：

你手中的这本书中汇集了许多妙趣横生而且寓意深远的业余科学项目。书的作者加民曾是我在亚利桑那大学物理系的博士生。我目睹了书中超过半数的项目是怎样诞生的，有时我还会参与其中。我们一起玩过逆磁悬浮（第七章）和磁悬浮陀螺（第八章）。加民还时常会给我看一些他在业余时间做的其他好玩的东西，比如糖水中弯曲的激光（第二章），PID控制下的磁悬浮装置等。直到他博士毕业将要离开我的实验室去别的城市工作的前一天，他还在尝试测量实验室里微波炉的泄漏量（第四章）。幸运的是，他没有弄坏我们的微波炉。

我们的实验室里装满了价值数十万美元的科学仪器，而对于本书中的业余科学实验，加民并没有用到这些昂贵的设备。所以你也可以在自己家中花少许的零钱和大量的闲暇时间享受这些实验带来的乐趣。同时还能探索一些非常广泛和深远的科学领域。即使是一个职业的科学家，他（她）在阅读这本书以及尝试书中的实验时，也会发现新的有趣的东西。

现在，是时候行动起来开始动手实践了！最良好的祝愿[1]Brian LeRoy图桑，亚利桑那

注释

[1]. LeRoy教授是美国亚利桑那大学（University of Arizona）物理系副教授。推荐序2

2012年我和薛加民博士在美国偶遇，我们都深受一位老科学家的影响，认为作为研究人员，做一些科普工作非常重要，并且应该注重科学上的新发现、新发展和科学思想的传播。当收到他的《我们都是科学家》一书的部分书稿时，我先睹为快，阅读时颇有惊艳之感。我认为这是一部极有特色的好书，因此我愿向爱好科学的读者，特别是喜爱物理学的青年读者们热烈推荐。

科学和技术支撑着现代社会的运转，其重要性自然无须多言。但是对于很多不从事科学研究的人来说，科学更像是一种魔法，需要它、使用它，却并不了解它。所谓科学家，固然是一种职业身份，但其实更根本的区别则在于能否以科学之眼光看世界，以科学之方法探寻事物规律。就此而言，一个人不必非从事职业研究工作，如能掌握科学的方法和一些基本的科学知识，也完全可以称为科学家，或者至少可说是具有科学素养的人。提高国民的科学素养，于国家之文明、发达有极大关系，本书之旨正在于此。

其实，许多基本的科学原理和知识，在中学、大学课程里都有，现代一般受过教育的人都曾学过，但为什么对于许多人来说，它仍然显得那么神秘呢？著名美国物理学家费曼在他那本《别逗了，费曼先生》（Surely You are Joking, Mr. Feynman) 中有一段关于他20世纪50年代访问巴西并在那里教物理的故事，也许可以说明这个问题。在巴西上了一段时间课以后，费曼在一次的会议上直言不讳地抨击了当时巴西的物理教学方式：孩子们从很小的时候就开始学习物理，课程内容很多、很难，学生们学习很勤奋，考试成绩优秀，但课程结束后他们却并不真正理解物理，因为他们仅仅是死背下了一些定义和公式，却完全不知道怎样把他们所学的知识用到实际当中。我想，中国读者看了费曼这段话后，恐怕都会心有戚戚焉——很大程度上，这也是我们中国教育（还不仅仅是物理教育）之弊，也许在很多方面我们还有过之而无不及。

但是，在教育上，指出存在的问题比较容易，找到好的解决方案却很难。在改进教育方面，需要的主要不是“破”，而是“立”，解决的方案不应该是废除理论学习，而是要增加在实际运用方面的训练。但这又是很难的，因为具体应用很难像一般原理那样可以直接写在书上，并且很多教师自己也同样不会实际应用。改革开放后，这一问题也还是没有解决，高分低能、动手能力弱一直是中国学生中普遍存在的问题。

如果说课堂讲授和书本学习有一定局限性，动手的物理实验是否能成为理论与实际之间的桥梁呢？从原则上讲应该是这样，但遗憾的是，就我所见，目前的中学和大学物理实验课程在这方面的作用非常有限。现有课程中的实验内容比较单调、枯燥，大多是验证某个原理或定律。由于安排教学的需要，这些实验都是预先安排好的，所用的实验设备由教师预先采购、安装，学生只能是按照实验手册上给出的方案操作，而很少有自己设计、探索、动脑的余地。近年来，为了方便教学，中学和大学物理教学实验设备越来越“高级”，越来越简单化、自动化，学生从中得到的训练也就越来越不足。做完之后未必能加深理解，更谈不上训练学生将所学知识运用到实际中去。

本书也许可以在增强读者的动手能力、加深对物理学原理的理解、锻炼实际应用能力方面发挥相当好的作用。和大多数科普书内容不同，本书不是仅仅“坐而论道”，讲一些科学知识或者科学史上的故事，而是把物理学知识和一些读者可以自己做的小实验结合起来。

比如，在本书第3章“沿着弧线传播的光”中，就介绍了一个用透明盒子、冰糖、水和激光笔这些简单材料就可以进行的一项有趣的物理实验：让光沿着弧线传播。这一实验虽然简单，读者却有很大的空间自己思考、探索、体会。而且，这一简单实验涉及的物理知识也是多方面的，不仅有光学折射方面的知识，而且还包括统计物理、作用量原理等——这也正是实际运用中经常出现的情况：和教学与课堂练习时分成一个个各自独立的单元不同，在实际运用中往往需要综合运用多方面的知识，而不仅仅是局限于某一个单一的原理或定律。实验当中，一些并不起眼的细节有很大的影响，本书的作者对这些也颇为注意，根据自己做这些实验的体会提醒实验者。本书并非教科书，无须过多顾及教学大纲安排，而可以兴之所至，发挥自如，正可以补传统的物理实验课程之不足，这是其一大优点。

本书在内容上有许多新颖之处，文笔也非常风趣。比如，Andrey Geim 教授2010年获得了诺贝尔物理学奖，而有趣的是他此前还因为让青蛙悬浮而获得了哈佛大学的搞笑诺贝尔(Ig Nobel)奖。虽然名为搞笑诺贝尔奖，此奖其实颇有深意。本书第7章对此娓娓道来，与之相联系的第8章，又介绍了磁悬浮陀螺。这些实验不仅有趣，更重要的是，简单的实验现象背后隐藏着深刻的物理学原理，因此做这些实验不仅“动手”，也要“动脑”，启发读者深思，也教会读者如何用数学、物理学的方法分析实验现象。说到这里，我不禁想到，其实在我国，固然动手能力弱的人居多，但也有一些动手能力很强而缺乏理论知识的民间人士，比如有农民自己试制飞机、机器人等的，本书对于他们，也许可有开阔眼界之功。

总之，我觉得本书实为一本不可多得的科普佳作，非常适合大、中学生和科学爱好者阅读，即使是已经身为科学家的专业研究人员，比如我自己，阅读本书也有许多收获。希望读者能在这些有趣的实验中，体味物理规律之奇妙，并能有自己的创新和发现。陈学雷博士中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席研究员1 透过太阳眼镜，看到半个世界一分钟简介本章会介绍几个关于光的偏振性的实验，实验所需材料非常简单，一副偏振片太阳镜就可以了。在这些实验中，我们将会研究如何简单有效地判断太阳镜的偏振方向；如何用太阳镜来发现东南西北各处天空的不一样；我们还将用两片偏振片来呈现一根塑料快餐叉里蕴藏的五彩斑斓的世界。本章实验的成功率可达到100%，而且其中蕴含着无穷的乐趣和深刻的原理。闲话基本原理市售的太阳镜中，有一种被称为“偏振片太阳镜”，当然，商家往往还会加上“高科技”作为形容词。我们买回来戴上，感觉似乎和普通的太阳镜没有太多差别：强烈的光线变得柔和了。“偏振片”起到什么作用呢？光是一种电磁场在空间的波动，用一种形象的比喻来阐释这种波，就像我们手握一根绳子的一端，另一端栓在一棵树上，上下或左右抖动，绳子会产生相应的波动从一端传播到另一端。这两种不同的抖动方式产生的绳子的波动方向是不同的，手上下抖动，绳子也上下抖动；手左右抖动，绳子也左右抖动。这就是绳波的“偏振”（见图1.1）。光波也有类似的性质。一束光在水平方向传播，它所包含的电场既可以是上下振动的，也可以是左右振动的，这被称作光波的偏振。一般光源（如太阳、日光灯等）发出的光都是非偏振的，即两种偏振方向的光都有，而且含量都一样。而偏振片就是一种可以只让一种偏振方向的光通过，而吸收另外一种偏振方向的光的材料。这样，戴上偏振太阳眼镜，太阳的光就只有一半进入眼睛，自然变得柔和了。图1.1 两种偏振方向的绳波动手实践了解了偏振片太阳镜的原理，我们自然会问，既然光线有两种偏振方向，那么太阳镜究竟让哪一种偏振方向的光透过呢？（这被称为偏振片的偏振方向。）这正是我们第一个实验的内容。第一个实验 判断偏振片太阳镜的偏振方向所需材料列表

偏振片太阳镜

已知偏振方向的偏振片判断一副太阳镜的偏振方向，最容易的方法，莫过于找到一块已知偏振方向的偏振片。我手头恰好有几块这样的偏振片，于是我们可以做下面的实验了。图1.2 用已知偏振方向的偏振片判断太阳镜的偏振方向在图1.2中左边那幅图里，我们透过太阳镜看到了远处的景物。中间那幅图里，一块已知偏振方向如贴在偏正片上的箭头所示的偏振片叠加在太阳镜前，此时偏振片是让上下偏振的光透过，远处的景物依旧可以看清。但是当我们90°旋转偏振片（右边那幅图），神奇的事情发生了，偏振片和太阳镜重叠的部分变得漆黑。这表明，太阳镜是让上下偏振的光透过的，所以，当偏振片只让水平方向偏振的光透过时，它们重叠的结果就是没有光可以透过。这两块偏振片放在一起就像一道光的阀门，可以打开（当两块偏振片方向一致时），也可以闭合（当两块偏振片方向垂直时）。是不是所有的偏振太阳镜的偏振方向都一样？答案是肯定的，不信的话，读者可以自己试一试。第二个实验 轻松判断太阳镜的偏振方向所需材料，只需要一副偏振太阳镜。有读者会问了，我手头没有已知偏振方向的偏振片，怎么办？肯定有办法！费曼先生在他的《别闹了，费曼先生！》一书中，记载了他去巴西当客座教授时遇到的一件趣事。当时巴西的大学应试教育风气非常严重，学生只会背诵教科书上的结论。费曼发现如果用教科书上的原话来提问，学生们总是非常流利地给出答案；但是如果换一种书上没写的方式来提同一个问题，学生们就哑口无言了，比如偏振光。就像我们的第一个实验那样，费曼先拿了一块已知偏振方向和一块未知偏振方向的偏振片给学生们演示，大家都很容易就说出了未知偏振片的偏振方向。这时，费曼说，如果我们只有一块未知方向的偏振片，怎么判断？费曼之所以这样问，是因为学生们刚刚学过相关的知识，应该有能力回答这个问题。但是大家面面相觑，无言以对。费曼指了指窗外的大海说：“看看从海面反射的光！”学生中仍然没有人说话。费曼接着说：“有没有人听说过布儒斯特角（Brewster Angle）？”学生们迅速地回答了这个问题，并指出布儒斯特角就是当光线在经过不同折射率的介质的交界面时，以布儒斯特角入射的光，其反射光是完全偏振的，偏振方向垂直于入射光和反射光所在的平面。费曼问：“然后呢？”学生们还是沉默。原来学生们定理背诵得滚瓜烂熟，却完全不知道定理所描述的对应于自然界中的是什么东西。“不同折射率的介质”，空气和海水不就是这样的一个例子吗？费曼拿起一块偏振片，对着窗外的海面，转动偏振片，学生们看到，随着偏振片的转动，海面出现了明暗变化，正如两块偏振片重叠时看到的情景一样。学生们恍然大悟，大叫起来：“哦，这就是偏振光！”图1.3 模拟的太阳与海面费曼的方法简便易行，实为“居家旅行之必备良方”。下面就让我们来体验一下。考虑到大海不是随处可见的，我们可以用一个玻璃片来模拟海面（玻璃与空气的折射率也不一样），用一个小LED灯来模拟太阳（见图1.3）。按照费曼的描述，如果透过一个偏振的太阳镜来看玻璃表面反射的LED光，当旋转太阳镜时，我们应该可以看到明暗变化。如图1.4所示，我们的确可以看到非常明显的明暗变化。见图1.4中右侧，当太阳镜水平放置时（注意这也是把太阳镜戴在头上时它的方向），玻璃表面反射的光几乎完全不见了！实际上，不止是水面和玻璃面，很多物体表面反射的光都是偏振的，比如柏油路、平滑的水泥地等。当太阳光的入射角度较低时，经过这些表面反射的光都具有很大程度的偏振性，其偏振方向垂直于入射光和反射光所在的平面。在我生活的地方，有时你能看到一个戴着墨镜边走边摇头晃脑的人，那正是作者本人，我喜欢通过改变太阳镜的偏振方向来看周围的物体忽明忽暗。当读者了解了这一有趣的现象，说不定也会传染上这一毛病。（注意过马路时不能摇头晃脑啊。）图1.4 透过偏振片看到“海面”反射“太阳光”的明暗变化现在，大家应该明白为什么我开始说所有的太阳镜的偏振方向都是一样的了吧。因为这样设计的太阳镜能够有效屏蔽路面或者汽车引擎盖表面反射的强烈太阳光（想象一下图1.4就是太阳从汽车引擎盖上反射的光），从而让戴太阳镜的司机可以安然地直视前方路面。好奇的读者可能在思考，为什么反射光会有这个有趣的性质呢？这将留待本章最后一节的“探索与发现篇”中揭晓。接下来我们来把目光从大地投向天空。第三个实验 偏振的天空所需材料仍是一副偏振太阳镜。当我们透过偏振太阳镜观看天空时，就会发现看似均匀一片、碧蓝的天空，原来也暗藏玄机。图1.5展示了透过太阳镜看到的北面的天空（此时已近黄昏，太阳在西边接近地平线的地方），不难发现，图1.5（右）中，透过太阳镜的天空比图1.5（左）中的要暗得多。注意，在拍摄这两幅照片时，我采用了相机中的手动曝光模式，确保了左右两张照片的曝光强度是一致的（同样的曝光时间和光圈大小），这样才能对它们的明暗进行有意义地比较。如果是自动曝光模式，相机会选用不同的曝光强度来使整个画面的平均亮度保持一致，那么两幅照片中，天空的明暗变化就有可能是相机曝光强度不一样导致的。图1.5 夕阳下，透过偏振太阳镜看到的北面的天空图1.5告诉我们，此时北边的天空所发出的光大部分是垂直于地平面偏振的。北边的天空有这样神奇的现象，那么西边的天空如何呢？见图1.6，很容易看出，西边的天空并没有可以察觉的偏振特性。不论我们怎么摆放太阳镜，亮度都是一样的。读者还可以尝试观察一下东边和南边的天空。同样是经过大气分子散射过的阳光，偏振性的差距咋就这么大呢？关于这一点的讨论，我们也留到“探索与发现”篇。图1.6 透过太阳镜观察西边的天空第四个实验 从透明中发现五彩斑斓前面的实验中，通过偏振片，我们只能看到明与暗的变化，未免有些单调乏味。在这个实验中，我们将用两片偏振片来展示一个五彩斑斓的现象。所需材料列表很多人都用过透明的塑料快餐叉，它看起来的确是平淡无奇。但是我们用两块偏振片，就可以化腐朽为神奇。首先我们把两块偏振片垂直放在一起，使得它们重叠的区域不透光，如图1.7所示（我没有用太阳镜，因为弯曲的表面不太适合拍摄，但是即将观察到的效果是类似的）。图1.7 将两块偏振片垂直放置接下来，我们把透明的快餐叉放入两块偏振片之间，如图1.8所示，这块平淡的塑料可能从未料到自己还会有如此流光溢彩的一刻！在没有快餐叉的部分，依然没有光透过，在有快餐叉的部分，七彩的颜色在塑料中流淌，尤其在它的末端，各种颜色聚集。如果把有齿的那一端放到两块偏振片之间，我们也能看到这美丽的现象。图1.8 在偏振片之间，透明的快餐叉变得五彩斑斓探索与发现要成为优秀的业余科学家，我们还必须透过热闹看门道。在这一节中，我们将进一步探索本章各种实验的原理。神奇的偏振片为什么可以有选择地吸收某一种偏振光呢？这得从偏振片的微观结构说起。偏振片是一种溶解了导电物质的特殊塑料。在制作的过程中，塑料的高分子链平行排列，如图1.9所示，在这种材料中，电子可以沿着分子链运动，却不能在垂直分子链的方向上运动。（我们是否可以通过测量电阻来判断偏振片中分子链的排列呢？读者不妨试一试。）图1.9 导电分子链在偏振片中平行排列正如本章开始提到的，光波是电磁场在空间中的振动。当一束含有两种偏振方向的非偏振光入射到这块偏振片上时，如图1.10所示，平行于分子链偏振的光的电场能够加速偏振片中的电子沿着分子链运动，从而把光的能量转化成了电子的动能，然后变成分子链的热能（因为分子链有电阻）。而电子不能沿垂直于分子链的方向运动，从而垂直于分子链偏振的光无法被电子吸收。这样，偏振片就实现了选择性地吸收某一种偏振的光。图1.10 平行于分子链的偏振成分被吸收掉了有读者可能会问，图1.10中，如果入射的光是一束沿着45°角偏振的光，那偏振片到底是吸收还是不吸收呢？这个问题，我们只需要借助高中学过的向量分解就可以解决。45°方向振动的电场可以分解为平行于分子链和垂直于分子链的两个分量，容易看出，水平的分量还是可以驱动电子沿着分子链运动从而被吸收，而垂直的分量可以通过。所以45°角偏振的光经过偏振片后，也变成了竖直方向，电场的幅度减小为入射光的。光的强度是以电场的平方来衡量的，所以光的强度减少为原来的一半。至于以任意角度入射的偏振光的计算，则留给读者了。图1.11 45°角入射的偏振光，有一半被偏振片吸收了接下来，我们来探究一下，为什么海面、玻璃表面等反射的光具有偏振性。如果大家翻开大学的光学物理书，就能找到关于这个问题的理论解释。但是我们往往容易被一堆公式淹没，即使每一步推导都能理解，但是合上书很快就忘记了。今天我们不用任何公式，仅仅看图来了解这个现象背后的秘密。（这种图像思考的方式也是费曼先生所推崇的。）图1.12 反射光的偏振性图1.12描绘了反射过程中各束光的偏振态（注意到光波是纵波，即它的电场振动方向始终是和传播方向垂直的），图中代表光波的电场垂直于纸面振动。入射光是非偏振的，比如阳光，照射到水面上以后，反射光和折射光的偏振态如图1.12所示。我们容易发现，方向偏振的入射光在反射和折射之后，还是偏振。而↗方向入射光的却要变成↗方向的折射光，以及更加“离谱”的↖方向的反射光。我们应该很容易理解光在反射时候的难处了：要把入射光沿着↗方向振荡的电场硬扭成↖方向，想一想也不是一件容易的事情。所以当我们了解到反射光的大多是平行于水面的偏振光时，也就有几分“感同身受”了。如果读者不满意这么卡通的解释，我们也可以找到更加科学一些的理：想象当方向的偏振光抵达水面时，它的电场会晃动水分子中的电子，然后这些电子再发射出折射光和反射光（发光的过程可以形象地理解为电子在摇晃时发出的电磁波，物理学家称为偶极辐射）。类比本章开篇提到的绳波，从那里我们可以看到，当晃动绳子的一头时，“发射”出去的绳波是垂直于晃动方向的，光波的发射也是类似的。一个晃动的电子发出的光波也基本垂直于电子的晃动方向。当↗方向的偏振光抵达水面时，它的电场使得水分子中的电子沿着↗方向晃动，此时麻烦就出现了。折射光还好，因为它的传播方向基本和↗方向垂直，但是反射光却几乎和↗平行，沿↗晃动的电子几乎不可能发射出向这个方向传播的光。所以反射光就由方向的偏振光组成了。而费曼先生开始提到的布儒斯特角，就是当入射光以布儒斯特角入射时，反射的光完全是偏振的。如图1.12所示，如果反射光和折射光之间的角等于90°，则反射光完全偏振，此时的入射角就被称为布儒斯特角，这是一种产生完全偏振光的好办法。而且如果知道了空气和水的折射率（可以分别取为1和1.33），就可以用高中学过的物理知识计算出这个入射角来，读者不妨一试。理解了水面反射光的偏振性，再来看天空的偏振性就比较容易理解了。我们之所以朝各个角度都能看到明亮蔚蓝的天空，是因为有大气的散射存在。月球上没有大气，因此宇航员看到的天空就只有朝向太阳的那一个方向是明亮的，其他方向都是深邃的黑。图1.13画出了当夕阳西下时，我们观看北边的天空的情景（读者可能会好奇为什么我画的太阳上有一个小黑点，这是为了纪念2012年6月5日发生的金星凌日现象。当时我透过望远镜看到的景象正如图1.13所示。（下一次金星凌日将会在2117年，错过了这一次的朋友还可以等下一次。）入射的太阳光依旧是包含等量的两种偏振光 ，它们抵达地球大气的时候，就会摇晃大气分子中的电子。↑方向晃动的电子在向四周散发出↑方向偏振的光，它们主要集中在与↑垂直的平面（也即与地面平行的平面）内传播。而方向晃动电子所散发出的方向的偏振光则主要分布在垂直于地面的平面内。当朝北边（或南边）看时，我们只看到↑方向的偏振光，所以那里的天空表现出很大的偏振性。而朝西边或东边看时，则两种偏振方向的光都有，从而没有了偏振性。图1.13 天空的偏振性最后，我们来看看一个普通的塑料餐叉为什么会在偏振片的包围中变得五彩斑斓。如图1.7所示，两块偏振片垂直地叠在一起时，本应没有光可以通过。当入射光通过第一块偏振片（假设允许水平方向偏振的光通过），一半被吸收了，只剩下了水平方向偏振的光。而第二块偏振片恰好只允许竖直方向的光通过，水平方向的光完全被它的分子链吸收，所以最终入射光被这两块偏振片全部吞没了。但是如果在光通过第一块偏振片以后，我们能够想办法把它的偏振方向稍微旋转一下，使它不完全是水平方向偏振，那么根据向量分解，它就能有一部分穿透第二块偏振片。塑料正是起到了这么一个作用（见图1.14），这种现象被称作旋光性。塑料是怎么实现这么神奇的作用的呢？我们可以这样形象地理解：和偏振片一样，普通塑料也是由高分子链组，与偏振片不同的是，这些高分子链的作用是很努力地把入射到它们上面的光的电场振动方向稍微拧一下，这就导致了旋光效应。而且这个拧的程度大小与分子链排列的整齐程度有关，与光的波长也有关。塑料在制造的过程中，各个地方的分子链排列的整齐程度是不一样的，所以各个地方对不同波长（或者说不同颜色）的光的旋转作用也不一样。有些地方旋转红光厉害一些，那么，透过第二块偏振片时那一片区域就显示红色；有些地方旋转蓝光厉害一些，那么，透过第二块偏振片时那一片区域就显示蓝色。这就是为什么一块透明的餐叉可以呈现出五彩斑斓效果的原因了。图1.14 偏振光通过塑料后，偏振方向发生变化不仅塑料有旋光效应，我们常见的白糖溶解在水中以后也有类似的旋光效应，但是旋转的“力度”比塑料要小很多。由于糖水旋光中的旋转角度与糖水浓度有关，食品工业上还用这个现象来检测浓度。细心的读者可能还会从第二个实验中发现折射和反射也能产生偏振方向的旋转，如图1.12所示。读者可以试试看，把一块玻璃放在两块偏振片之间观察一下会发生什么。生活中的应用通过本章的各种实验，相信读者对光的偏振性有了更生动的体会。读者可能会问，偏振光有什么用处吗？用处可多了，就在你身边意想不到的地方。不信？拿出你的偏振太阳镜，对着液晶电脑屏幕，晃动你的脑袋——哈！它是偏振的！到3D影院，拿出你的太阳镜，叠加在

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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