丰富多彩的光学世界(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：书香文雅

出版社：天津古籍出版社

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丰富多彩的光学世界试读：

前言

也许当人类的大脑刚产生思维时，就对睁开眼看到的世界感到无比好奇。为什么能看到景象，为什么雨后天边会有美丽的彩虹？为什么平静的湖面有个和自己一模一样的人？月亮为什么会发光？星星为什么会眨眼？海市蜃楼是怎么回事？镜子为什么能照出影子？闪电是怎么形成的？激光有哪些神奇的本领……所有这些问题看似很简单，很平常，但很少有人能解释其中的原理，揭开其中的奥妙。这些问题都涉及一种最常见的东西——光。

光是自然界再平常不过的事物，是人们每天都接触，习以为常的物理现象，但却蕴含着最深奥、最基础、最令人费解的物理学知识。本书将带领小读者们进入神秘的光学世界，以深入浅出的讲解，通俗易懂的说明，活泼幽默的语言，生动形象的比喻，将深奥难解的物理学、几何学知识讲给小读者们，在逐一剖析种种光学问题的同时，让小朋友视野得到拓展，并爱上科学。“学而不思则罔，思而不学则殆”，在阅读的过程中，小读者们要边学习边思考，开动脑筋，展开想象的翅膀，不断地提出问题，思考问题，努力去发现新知识，尝试用物理学去解释某些光学现象，做到学以致用。小朋友们，你们准备好了么？让我们一起进入光的世界去认识光的现象，领略光的神奇，揭开光的秘密吧。

第一章　光的本质

古老而崭新的光学

每天清晨，阳光穿过明亮的窗户，照在屋内，黑夜被赶走，黎明到来，新的一天开始。小朋友们，当你们睁开眼，看到满屋的阳光时，会感到好奇么？光是什么？为什么能看到屋里的一切？光与眼睛有什么神秘的联系？

为了解释光的本质，为了揭开光的奥秘，人类对光进行了艰苦而长久的探索，几乎可以认定，人类走出蒙昧，走向文明与现代科技，其实就是对神圣的太阳光的探索历程。

探寻光的历程最早可以追溯到5000多年前，东西方文明几乎同时进行。公元前400多年的战国时期，大思想家墨子在他的代表作《墨经》里记述了对光的认识，这是世界上最早的关于光与光现象的知识。他详细描述了光、影的定义，光的生成原理，光的直线传播性、小孔成像、倒影的形成等一系列光现象，用严谨、科学的态度分析了平面镜、凸面镜与凹面镜中物体和影子的关系。

西方，西西里岛上的古希腊哲学家安庇杜勒斯认为，人的眼睛犹如灯塔，可以射出微弱但敏感的光，能看到周围景物。另一位数学家欧几里得根据哲学家的理论写下了一本数学名著《几何原理》，书中以几何图形的方式来阐述光与光学。13世纪，伟大的伊斯兰学者阿勒·哈桑创作了一部《光学全书》，系统地解释了光的各种现象，如光的反射、光的折射、凹面镜成像、凸面镜成像等，通过精确的计算，推翻了安庇杜勒斯提出的学说。

还有科学家为了探寻真理而触怒宗教力量，被关入大牢，受到残酷的迫害。14世纪，欧洲的罗杰·培根根据前人的经验，研究了玻璃对光以及对色彩的关系，用自然原理解释彩虹现象。神圣宗教认为彩虹是神迹，是上帝的杰作，人不可以轻易冒犯，于是宗教社团以猥亵、藐视上帝罪，将罗杰·培根监禁。近代科学的发展使人类逐渐摆脱了最初的“想当然”观点，实验科学开始成为欧洲学界的主流。思想家、哲学家、数学家笛卡尔解剖了牛眼睛，通过牛眼中的晶体观察到了物体的影子。他由此断定，眼睛是机械的。17世纪，伟大的科学家牛顿通过三棱镜，看到了光的七彩颜色，并发现了光谱，用实验结合观察来研究光，得出光是由不同色彩混合而成的结论，这个论断开创了光学研究的先河，影响深远。

今天，光学已成为一门重要学科，全世界有几十万科学家在研究光，每年都有新的观点和新的学说产生。光学这门最古老的学科到今天仍散发着迷人的魅力，吸引着一批又一批的科学家投入到光的探索中。大开眼界牛顿是英国最著名的科学家，也是一位影响世界的大科学家。他最初的研究方向就是光学，他在21岁时就开始研究光学，经过20年的努力，取得了丰硕的研究成果，跻身为世界级的科学伟人行列。后来，牛顿又投入到数学、天体力学、万有引力学的研究当中，为人类文明进步做出了巨大贡献。

波粒二象性

曾经有位记者问英国著名物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格博士：“光到底是一种波还是粒子？”科学家幽默地回答道：“哦，它星期一、三、五是一种波；星期二、四、六是一种粒子，星期天它在家休息。”

如果说一种科学定义直到今天仍没有形成定论的话，那么光可谓最典型的例子。因为关于光的定义，科学家们至今仍有不同的理解。

17世纪中叶，荷兰科学家克里斯蒂·惠更斯提出了光的波动学说，他认为光是一种向前传播的“波”。惠更斯在论文中充分发挥了他的数学天赋，用了大量插图来解释光的折射、反射现象，他还用两个玻璃球来解释光在不同介质中产生的离奇景象。1690年，惠更斯出版了《光论》，建立了“光波”原理，推导了光的折射、反射定律，解释了光在不同介质之间产生夹角的原因，认为光波是靠物质载体来传播的纵向波。

1638年，法国思想家皮埃尔·伽森狄提出一个学说：物质是由大量坚硬的粒子组成的。这个学说可以看做是近代物理学原子理论的基石。伽森狄在他的著作里也讲述了对光的认识，他认为光与其他物质一样，也是由大量粒子组成的。科学家牛顿显然受到伽森狄的影响，他对这种观点进行了深入地研究，根据光的直线传播现象、偏振现象，提出了新的假说，认为光是从光源发射出的一种物质微粒子，在同一的、均匀的介质里以一定的速度传播。“光的微粒”学说很容易解释光的直线传播、光的反射等现象，因为粒子与光滑的平面碰撞时，会改变方向，符合反射定律。但却无法解释光线进入不同介质时发生折射现象，也无法解释光线的相交现象，即几束光线相交后，相互之间彼此不妨碍，仍能按原方向传播。

小朋友们看懂了吗？以上解释比较深奥，我们用个简单的比喻来解释两位科学家提出的不同观点：“波动说”认为光是一种波——没有质量，能解释反射、折射、空中交汇等现象；“微粒说”认为光是最小的微粒子，光的传播是微粒子运动，能解释反射现象，但不能解释空中交汇时互不干涉现象。两种学说都有其理论基础，也解释了不同的方面，因此，后来的科学家综合了以上两种观点，认为光具有“波粒二象性”。这种观点可不是科学家们无奈之余，采用的折中办法，因为几百年的研究表明，光的确具有波性，也有微粒性，唯有“波粒二象性”才能解释所有的光现象。

小朋友们，科学家关于光的研究还没停止，也许将来你也会加入到研究行列，提出新的学说，成为与牛顿、惠更斯并列的科学伟人。大开眼界惠更斯是荷兰著名的物理学家、数学家、天文学家，他生活的时代介于伽利略与牛顿之间，也是近代物理学的一位先驱，对光学和力学的发展有过杰出的贡献，在天文学和数学领域也多有建树。他发现了“土卫六”、建立了向心力定律、改进了计时器、提出了动量守恒原理等。

视觉的形成

小朋友们，拿过一面镜子，仔细观察你的眼睛，你们会看到什么？漆黑明亮的眼睛里是否也有一个很小的影子呢？通过眼睛我们能看到任何景象。视觉是人和动物们最重要的感觉之一，那么，视觉是如何形成的呢？

动物的眼睛是个构造合理、设计精巧、转动灵活的透明晶体，是动物几千万年、上亿年进化的结果。眼睛分为角膜、瞳孔、晶状体、玻璃体、视网膜、视神经等部分，和大脑视觉中枢紧密结合，从而产生视觉。它们分工合理，配合默契，共同肩负着动物的视觉任务，其工作原理如下：

首先，光线照射在物体上经物体反射后，光线通过瞳孔进入角膜，通过晶状体后发生折射，然后通过固定眼球——玻璃体，在视网膜上形成图像。眼睛的视觉神经可以将视网膜上的景物传递给大脑中枢神经，在脑海里形成事物的影像。这就产生了视觉。

听上去是不是很复杂？原来我们的眼睛有如此惊人的本领，视觉的产生过程是如此的烦琐。眼睛其实就是一个透镜，每个部分都有重要作用。黑色的瞳孔可以让更多的光线进入；晶状体可以将影像缩小，否则人们根本看不到外界的全景，只能看几平方厘米的事物；视网膜是成像板，物像最终投射在上面；角膜是折射器官，通过睫状肌的调节，来调整晶状体的焦点，以便能随时呈现最清楚的影像；视觉神经是传输信号装置，可以将视网膜上的成像信号传递给大脑。

小朋友们似乎很难理解眼睛的工作原理，我们就举个例子来解释一下吧。我们最常见的电影就是采用了眼睛成像的仿生学原理，只不过正好颠倒过来：胶片就是视网膜，通过透镜放大后将影像投放到银幕上，银幕上的影像就相当于真实的景物。人在看电影时，眼睛里的成像和电影胶片上的一模一样！电影胶片通过投影出现在大银幕上，人的眼睛通过相同的成像过程，再次在视网膜上生成影像。通过两次成像，将电影胶片上的内容显示在人的脑海，两次成像采用同样的原理。

动物们的眼睛大致与人相同，都是通过晶状体成像生成视觉的，但也有很多特别的眼睛，如蜻蜓的“复眼”，是由几万个六边形组成的，它的眼睛不会转动，通过无数微小的“复眼”成像，最终生成视觉。若要看其他方向的景物，则需要转动头部。复眼一般占据动物脑部的2/3，两只鼓鼓的眼睛比头都大很多。大开眼界要问自然界中什么动物的视觉系统最发达？那就非鹰莫数了。鹰有一双令所有动物自叹弗如的眼睛，它独特的视觉系统可以将物体放大数倍，工作原理像望远镜一样。鹰在1000米的高空翱翔时，能在5000米范围内清楚地分辨出地面上鸡蛋大小的东西。因此只要有一点儿动静，它会准确地发现草丛里的猎物。

立体视觉

小朋友们是否想过一个问题：摄像机有一个镜头即完美地拍摄景象，而人却有两只眼睛。若闭上一只眼，照样也能清楚地观看事物，动物的眼睛为什么不会像摄像机一样，只用一只眼睛呢？难道是为了让两只眼睛交替“值班”，不至于太辛苦么？可它们弟兄两个一起睡觉、一起工作，就连眨眼睛也是同时进行，不存在轮流值班的情况。

在解答以上问题之前，让我们先来做个有趣的小实验：拿两根牙签，左右手各拿一根，伸长双臂，慢慢地靠近，让两只牙签尖对尖。虽然不是每次都能找准，但几乎都是紧挨着，误差极小。下面闭上一只眼睛再来做一次，会有什么发现？原来很容易接近的两根牙签，这次偏差很大，难道是这只眼睛有问题？让我们换个眼睛，这次仍然无法对准，这是为什么呢？

再来做个测试，站在高处往远处望，看到一棵树时，我们观察下它的大致距离，然后测量一下，虽然不是很准确，但几十米之内还是非常接近；两棵远近不同的树之间有多少米，我们也能目测出它的大致距离。但是用DV机拍摄下来时，却看不出两者相差多少米。这是很常见的现象，小朋友们思考过其中的原因么？

原来我们的眼睛在看景物时，会看到两幅不同的画面，这是由于两眼所在的位置有稍微的不同所导致的。可不要小看这两幅景象，正是它们组合在一起，才生成了一副完美的立体图像！我们的大脑可以根据立体图像轻松地判断出在纵向的大致方位、距离。如果只用一只眼睛看世界，很难产生立体效果，看到的景象更像是平面图片。

科学家们利用眼睛的这种视觉现象，发明了立体摄像机与立体电影，这种拍摄和放映技术也称作3D技术。看过3D电影《阿凡达》的观众们对电影中所表现出的真实场景感到震撼，里面飞奔的战马似乎跳出了银幕，翱翔的巨鸟似乎也从电影里飞出来了，触手可及，效果十分逼真，给人身临其境的感觉。所有观众看过电影后无不发出由衷地赞叹：“原来电影还可以这么拍！”

3D拍摄技术就是模仿了人眼睛的成像原理，采用两个摄像机同时拍摄，生成两幅画面。放映时，两幅画面重叠在一起，看上去十分模糊。这时观众们带上特制的3D眼镜，就可以真实地还原出电影景象，两幅画面有两种视觉深度，从而产生了立体效果。大银幕仿佛成了一个舞台，剧中人成了一个个真实的演员，电影也不再是画面形式，而成了现场表演，效果十分震撼，令观众大饱眼福，大呼过瘾。

另外还有一种常见的立体电影辅助产品——红蓝眼镜，3D红蓝立体电影是较为低级的立体技术，拍摄时产生一个画面，也可以产生两种不同颜色的画面。一种颜色为红色，另外一种为蓝色，观看时，红色眼镜过滤掉红色景象，蓝色镜片过滤掉蓝色景象，两种景象产生视觉差，从而达到立体效果。

现在最先进的3D立体拍摄技术仍采用两台摄像机同时拍摄，每台拍摄一组画面，然后将两种画面融合在一起播放，最终实现立体效果。小朋友们，你们懂了么？是不是对3D电影很感兴趣呢？如果有机会一定要进入电影院里，亲自感受一下3D电影的神奇。不过当凶猛的恐龙扑过来时，你可不要害怕，那是视觉差造成的立体效果。大开眼界目前，大多数立体电影仍是采用一台摄像机拍摄，后期使用电脑制作三维立体效果。这样拍摄的电影成本高、效果差，而且并非真正意义上的3D电影。但若采用两台摄像机同步拍摄，则需要两台机器同时对焦、变焦、变换角度，需要很多人同时作业，难以协调一致。

视觉误差的矫正

小朋友们，注意观察身边的同学、老师和家人，是不是发现越来越多的人开始戴眼镜了，甚至有些小学生也戴着厚厚的眼镜，像个“小博士”。近视是怎样造成的？为什么戴上眼镜后就会看得清楚了？为什么时间久了，又看不清楚，还得更换眼镜？

前面我们讲过，人的眼睛之所以能产生视觉，看到事物，是物体的反射光透过晶状体和瞳孔后，在视网膜上留下影像，通过视觉神经的传输，在大脑里生成景物影像。当人们观看近景，晶状体的焦点就会调节得比较近，这样视网膜才会有清晰的影像。

当人们长时间地观看近景，晶状体就会发生变形，焦点靠前，视网膜上的景象就会模糊，看不清东西。例如，当人们看电影时，若银幕上的图像不清晰，比较模糊，放映员就稍微拧动长镜头，图像就会变化，直到调节到最佳状态为止。

人的眼睛就像放映机，当晶状体的焦点靠前时，就需要想方设法将焦点调后，调节到视网膜上，人们是如何实现的呢？凸透镜有聚光作用，凹透镜则正好相反，有散光作用。晶状体是凸透镜，焦点靠前是因为“凸透镜”的焦距变短了，可以为它加上个凹透镜，使其焦点靠后。近视镜就是凹透镜，眼镜医师根据晶状体焦点的距离为近视者配备不同曲率的凹透镜，以矫正视力。

与此相反，远视则是晶状体的焦距拉长，焦点靠后，导致视觉模糊。这时，眼镜医师会为患者配装远视镜——凸透镜，使晶状体焦点前移，焦距缩短，图像清晰地呈现在视网膜上。近视一般发生在青年人身上，而远视一般是老年人的“专利”。

除了近视和远视，还有很多视觉问题，如斜视、散光、弱视等，这些问题都与眼睛晶状体和角膜有关，大多是不良用眼习惯造成的，也有的是遗传或营养不均衡造成的。

为了避免近视、散光、弱视，小朋友们一定要注意用眼卫生，即不要在弱光、强光环境下看书，不要长时间、近距离看电视，经常按摩眼部，放松睫状肌，保证睡眠。另外，要多锻炼，多参加户外运动，多吃蔬菜，以保证眼睛永远健康明亮。否则，小小年纪就看不清黑板，需要佩戴眼镜，成了“假博士”。大开眼界仔细观察凹透镜和凸透镜可以发现，凹透镜可以缩小字体，而凸透镜可以放大字体，放大镜其实就是凸透镜。凹透镜作为眼镜镜片可不是因为缩小字体而看清楚，而是拉长了晶状体的焦点，使景物更加清晰地呈现在视网膜上。远视正好相反，并非扩大字体而看清，读者们一定要区分清楚。

色彩与视觉

小朋友们，当你看漫画书、看电视时，你可想过我们为什么能看到各种不同的颜色吗？也许小朋友会说：“太简单了，我们的眼睛就是视觉器官，视网膜可以呈现景物的颜色。”但你们知道吗？大多数动物，如牛、马、羊、狗、猫等，它们眼中的色彩除了黑白灰外，没有其他颜色，几乎不能分辨彩色！

我们看到的世界是五彩斑斓的，而大多数哺乳动物眼里的世界是一张黑白相片。就算是人类的“近亲”猿类也过着黑白生活。小朋友们惊讶的同时是不是非常惊叹我们人类的本领呢？否则，周围全是灰暗的世界，想想真是乏味。动物们其实并非全是色盲，如长颈鹿能分辨绿色、黄色和橘黄色；山羊能分辨绿色、蓝色和橙黄色；鸟类除了猫头鹰以外也能分辨色彩，如孔雀、鹦鹉，雄性鸟长着漂亮的羽毛吸引异性，如果它们是色盲，那雄鸟还炫耀什么，怎么赢得爱侣的青睐？

为什么会出现这样的差别呢？首先让我们来继续认识下眼睛。前文讲过，我们眼睛的感光器官是视网膜，而视网膜是由10多亿个感光细胞组成的。感光细胞有两种类型：视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞对光的强度有很高的敏感度，但只能分辨明暗、轻重，能对看到的事物形成大致轮廓，精确性较差；视锥细胞能辨别不同类型的颜色，但对光的敏感度较低，对事物的细节和轮廓看得很清楚，辨认能力高。因此，感受颜色的主要是视锥细胞。

科学研究表明，视锥细胞里还有三种视锥色素，即红、绿、蓝。当光线作用于视锥细胞时，就会引起超极化反应，这种超极化反应是光、电能转化的第一步。不同颜色的光，有不同的波长，当它们作用于视网膜上时，超极化反应能产生各种不同的刺激，视觉神经元会产生不同的视觉感应，从而产生对颜色的感觉。

视觉中色彩的产生可以简单地概括为：不同颜色的光，波长不一样，刺激视网膜上的视锥细胞产生的刺激不同，因此产生各种颜色的视觉。

小朋友们一定听说过“色盲”吧，这是一种典型的色彩障碍，不能分辨某种颜色。如有些人无法分辨橘黄色，有的无法区分绿色和蓝色，这是怎么回事呢？原来某些人的视觉神经里没有相对应的视锥细胞，或者缺少一种能发生超极化反应的蛋白质，无法更加细致地分辨两种颜色。“色盲”虽然不是什么严重残疾，但却会给生活带来诸多不便，如不能分辨红绿灯，不适宜当司机，不能成为一位出色的画家等。

现在小朋友们知道了视觉的产生，也知道了色彩是如何形成的，同时也明白了不是所有的动物眼里的世界都是彩色的，也有黑白世界。我们在为看到七彩世界高兴的同时，也要注意保护我们的眼睛，如不要长时间地看重度色彩的东西，不要看色彩过于强烈的事物，因为长时间盯住重色彩，会导致对应的视锥细胞疲劳，进而降低这种颜色的视觉敏感度。大开眼界成功永远属于那些善于思考的人们，苹果掉在牛顿身上引发了他的思考，由此发现了万有引力。同样一幕也发生在道尔顿身上，他的衣服和别人的颜色有微妙的差别，而在他眼里却是一样的。道尔顿因此开始研究这一现象，并由此发现了“色盲症”。世人为了纪念这位伟大的科学家，把“色盲症”也称为“道尔顿症”。

虚像与实像

由于光的存在，物体可以生成很多影像，如照镜子时的影子，透过放大镜看到的字体，电影胶片投放到大银幕上的画面，汽车倒车镜上的路人等，这些都是光与影现象。小朋友们，你们能分辨其中的不同吗？如放大镜与电影画面的区别，人的眼睛与镜子里的影像的区别。其实成像分为两种，虚像和实像。两者有什么不同呢？下面让我们一起去认识一下。

虚像并不是由实际光线汇集而成的，而是通过透镜的光线延长后生成的影像。如放大镜，我们看报纸时，字体放大，实际这个大字是不存在的，是透镜的折射生成一个虚拟的影像，通过眼睛印在视网膜上。这个“大字”就是虚像，而视网膜上的影像则是实像。又如放在盛水杯子里的筷子，看上去好像弯曲了，其实这也是一种虚像，由于折射导致的现象。那有没有实像呢？当然有，最常见的就是影子，如站在太阳底下，影子印在地上，这就是实像。电影胶片投放在银幕上的画面就是实像，小孔成像是实像，皮影戏也是实像。

镜子中看到的是一种完全虚假的影子，因为镜子后面根本没有东西，只是光的反射将物体的影像延长到了镜子里面，给人一种事物进到镜子里的错觉，一般地讲，虚像是人在视觉方面产生的错觉而感知到的影像，实像则是光投射在另外一个事物上的影子。

总之，物体发出的光线经反射、折射后，进入人的眼睛，在视网膜上形成的是实像，但这个实像是经过大脑处理后，让人产生的错觉：这就是光的实际路径。其实那个影像是不存在的，是抽象的、虚拟的，只是大脑“固执”地认为它存在。

另外一个常见的例子，是水里的鱼儿。我们把鱼儿身上的某个点当作研究对象，这个点反射出的光线在水里是直线传播，当光线钻出水面进入空气时，就会发生偏差，这即是折射现象。这条光线会偏离原来的直线，沿着另一条直线传播，然后进入人的眼睛，并在视网膜上形成影像。此时，我们的大脑会认为，这条进入眼里的光线就是原来的那条，即鱼儿身上的某个点反射出的光线。误会就是这样产生的，光线的路径已经发生了变化，而大脑却没有察觉到，那个点在脑海里的影像其实已经不在原来那个位置，而是发生了微妙的偏移，这个点其实就是个虚像。

虚像和实像有什么区别，虚像又是怎样产生的，小朋友们，你懂了吗？如果还不明白，可以亲自做个实验，把直筷子放进水杯里，看看会有什么变化，或者用易拉罐做一个小孔成像实验，你就会完全明白了。记住，实验也是科学的一部分。大开眼界生活中有很多地方都运用了光现象，如穿衣镜是利用平面镜的成像原理，看到的影子和真人一模一样；汽车后视镜与山路拐弯避险镜则用了凸面镜，能看到较大范围内的物体；哈哈镜则凹凸不平，能看到变形的影像。

眼见未必是实

人们常用“亲眼所见”“眼见为实、耳听为虚”“百闻不如一见”等来形容某件事的真实可信，或强调实际观察的重要性。但是，人眼看到的景物就一定是真实的吗？人们是否应该不假思索、无条件地相信眼睛看到的东西？

一个不动脑筋、学识浅薄的人会轻易地被假象所吸引，或感觉不可思议，甚至会由衷地发出赞叹。如街头骗子的雕虫小技，用一些表演技巧遮住了关键环节，让人信以为真。如果人们相信了，就会上当受骗。最擅长“骗人”的恐怕是魔术师了，他们用丰富的职业技巧设置一些观众难以察觉的机关，以此达到演出效果。虽然我们不能完全知道魔术的奥秘，但可以确信，里面一定使用了表演技巧。

光就像魔术师一样，经常展示一些虚拟的影像，来“蒙骗”人们。如，我们早上看到的太阳比中午要大很多，太阳真地变小了吗？遥远的星星看上去很小，它们果真如此吗？饥渴难耐的旅行者忽然看见前方有个湖，湖里的水真地能喝到吗？鱼儿游在50厘米深的水里，可伸手一摸，根本够不到，难道眼睛看错了吗？这些离奇的现象，都是光学现象在作怪，人们一次次被神奇的各种光现象所迷惑，这些现象时刻提醒着人们：眼见未必是实，你很可能被眼睛欺骗了。

虽然我们不能完全相信看到的光学景象，但可以通过科学的分析得出合理的解释。

1979年7月，波兰水手乌尔班奇驾驶帆船在海上航行。一天傍晚，他忽然抬头一看，惊讶地发现太阳变成绿色了！他大声地惊呼起来，随行的人们也仰头观看，果然一轮绿日悬挂天际。人们从未见过绿色的太阳，无不惊恐万分，以为是传说中的末日降临。恐慌几分钟后，船上的人发现太阳渐渐恢复成红日，不一会儿沉入大海。无独有偶，我国的新疆也发生过蓝日现象。一天，一辆满载乘客的大巴在沙海里行驶，太阳落山时，人们惊讶地发现太阳变成了蓝色，西边的天空被染成一片蓝。人们被眼前的一幕惊呆了，不知这预示着什么，不一会儿，太阳落山，一切恢复正常。

小朋友们若遇到这种情况，是否也会惊讶得大张着嘴呢？夕阳通常是橙黄、橙红或黄色的，怎么会变成蓝色或绿色的呢？如果水手们或乘客们明白折射原理就不会惊讶于他们的发现了。我们的地球被大气层包裹着，就像一个棱镜，外层密度小，内层密度大。当太阳下山时，大气层将地平线的太阳光分解成各种颜色的光线。红色光线波长最长，其次是黄色、橙色，这就是我们为什么经常看到落日或初升的太阳是红色或橙黄色的原因。但当空气密度大，太阳光的折射率增大，即会出现蓝色、绿色光线，这时看到的太阳光就变成绿色、蓝色。由于海面上蒸气多，空气质量大，因此也经常出现蓝、绿太阳；沙漠中蒸发严重，上层空气比下层空气密度小，也容易造成折射现象。

小朋友们，当你们再看到什么离奇的光学现象，千万不要盲目地相信什么末日来临、上帝震怒等荒诞不经的传言，而要以科学的态度来解释各类自然现象。大开眼界科学家们指出，人眼能看到的光线只是很少的一部分，更多的则是不可见光，须借助特定的仪器才能将其分拣出来。人的大脑看到的景象其实是各种光学现象，常常伴随着视觉性误差，因此某些时候我们要对看到的奇异景象做科学分析，毕竟“眼见未必属实”。

小孔成像

说到光的现象，小朋友们最熟悉的当属小孔成像了：用一个不透光的筒子，前方密闭，中间留一个小孔，底部换成透薄的纱布，即可在纱布上看到倒立的影子。小孔成像原理说明了光线的直线传播属性。古代天文学家利用光的这种属性，发明了日晷、圭表，通过测量日影来确定时间和方位；在观星台的仪器上安装窥管，用来观测天象，测定星系。小孔成像趣事

南北朝时期的著作《幽冥录》中记载了一个故事：一个书生在金陵城郊外的寺院内借读，寺院住持十分好客，尤其喜欢和有才华的文人雅士聊天。一天晚上，月光皎洁，书生解衣休息，忽然发现墙上有个面目狰狞的和尚倒立着，一声不响地磨刀。书生惊骇，以为寺院和尚要谋害他，但此时夜深人静，逃生无望。书生胆战心惊地过了一夜，第二天安然无事。住持又来探望，发现书生脸色不好，就问昨夜休息得如何，书生吞吞吐吐地将昨天看到的情形告诉了住持。住持和尚大惊：“寺院内确实有个这样的和尚，他是后院伙房厨子，人虽凶恶，但还算本分。”长老去询问厨子，厨子承认乘着月光磨菜刀，但并无歹意，不知书生如何知晓。长老若有所思，将房间门窗关紧，屋内不见一丝光亮，这时，奇迹出现了，房间的墙壁上倒映着后院的景象，一木一草十分清晰。众人惊讶不已，不知是何缘故，唯有长老指明其中道理：“先秦时期，曾有墨翟用竹筒成像，想必墙上倒影也属此类。”墨翟关于小孔成像的解释

上面这则故事就体现了小孔成像的原理。早在战国时期，科学家墨翟和他的学生们就做过这种实验，他在著作中解释说，光线穿过微孔如箭一样，是直线形式，人的头部遮蔽了上面的光线，影子到了下面；足部遮住了下面的光，影子到了上面，形成了倒立的影子。这是世界上第一次关于光的直线传播的科学解释。

墨翟还在此基础上，描述了物和影的关系。他说，飞翔的鸟儿，它的影子似乎也在动，其实影子自身并不直接活动，而是光照射在运动着的物体上，投在地上的影子在活动。鸟儿飞翔时，前一瞬间被光照射，在相应的地方投下影子，当移到另一个地方后，影子也移动了位置。对此，墨翟专门提出了“景不徙”理论，古文中“景”通假“影”，即影像不活动、不移动。地上鸟儿连续活动的影子，是前后瞬间影子不断更替，不断更新的结果，看起来就像在移动。我们不禁为2500年前的科学家喝彩，墨翟能如此细致地观察现象，并研究光与影的关系，用生动的语言解释光、影之间的内在联系，着实让人钦佩。除了“景不徙”理论，墨翟还解释了其他成像现象，这些都是古代科学家对光学研究的杰出贡献。大开眼界墨翟是战国初期杰出的哲学家、思想家、教育家、军事家、科学家、社会活动家，甚至是发明家。他设计过很多精巧的机械装置，包括帮农夫提水的轱辘、水车，还有用于攻城的滑车等，据悉，他还擅长守城，能将城池守得像铁桶一样坚不可摧，抵抗任何强大敌人的进攻。

光与文明史

远古时期，人类学会了使用火烧烤食物，同时发现猛兽对火焰充满恐惧，于是利用火把来吓退猛兽，或驱赶猎物堕入陷阱。夜里，动物的吼叫声让猿人恐慌不安，他们点燃火炬，将洞穴照明。人们不再害怕黑夜，这是人类首次利用光驱走恐惧，战胜大自然。光明指引航海家

自从发明了指南针，远洋航行不再是梦想，英勇的水手们在茫茫大海不再迷失方向，五大洲的人类渐渐频繁交往，文明以前所未有的速度传播。指南针能帮舵手们把握正确的航向，却不能预知海礁和浅海，往往容易发生触礁或搁浅的惨剧。为了提醒过往的船只避开浅滩或礁石，欧洲的航海家们在高高的岩石上建立了灯塔。灯塔上点上灯火，让远航的人在十几里外也能看到明火，躲开危险。光在这时显得格外珍贵，关键时刻能拯救一船人的性命。

随着航海技术和造船技术的发展，原来的小帆船变成了大帆船，载重超过几百吨，甚至上千吨。传统的煤油灯、蜡烛光已无法满足航海需要，于是人们想尽办法使灯光更亮，照得更远。法国物理学家奥格斯汀·弗拉斯纳尔设计了一种透镜，能将微弱的灯光聚在一起，不断循环的光线最终聚成一束光柱，然后射向夜空，在晴朗的夜空，远在20英里外的航船也能看到，大大方便了过往的船只，保证了航海安全。这种透镜由好几个多棱镜组成，环绕在灯光的周围，就像一圈圈的年轮。其中最大的一个透镜有3.6米高，1.8米宽，重约2.7吨。人们为了纪念这位法国科学家，就把这类透镜称为“弗拉斯纳尔透镜”。电灯开创新纪元

1879年，伟大的发明家托马斯·爱迪生经过几千次实验发明了电灯，虽然初期的电灯寿命很短，亮度也不够，但却具有划时代的意义，人类终于迎来了电灯时代！经过改进的电灯采用耐高温的钨丝，彻底解决了电灯寿命短的问题，亮度也大为改善。灯塔上采用电灯照明，不仅光线明亮而且永不怕被狂风暴雨吹灭，光再次为人类的航海事业做出了贡献，在历史上写下浓重的一笔。

1918年，美国工程师艾莫·斯伯里发明了能发出强光的探照灯。探照灯虽然足够明亮，但射程不远，于是人们结合凹面镜，将探照灯灯光聚在一起，生成一束强光柱。如此一来，人们可以很容易地看到8000米以外的景物，灯光不再只是照明用，而且有了军用价值。二战时，面对德国的轮番轰炸，英国利用强光探照灯对准德国轰炸机，地面的防空部队可以瞄准敌机，将其击落，也可以为战斗机指明敌机位置，进行空中拦截。探照灯也被用在灯塔上，它发出的强光是以往任何灯具都不能比拟的，海上航行的船只在50英里外就能看到光束，极大地提高了航海安全性。

虽然现在航海普遍采用全球导航系统，不再使用灯塔了，但光作为文明传播的重要工具，为人类航海服务了上千年，将先进文明传播到了五湖四海。它的作用依然是不可忽略的。

七彩光

小朋友们，你们仔细观察过阳光吗？早晨，当阳光透过窗户洒在墙上，若玻璃是有棱形的，或厚薄不一，墙上就会有微弱的七彩光。怎么回事？原本没有颜色的太阳光怎么会生成彩色带呢？

为什么光会产生不同的颜色？其实早在13世纪，就有人发现了光的色彩，一位德国传教士模仿彩虹的生成原理做了一次实验。他在解释这种现象时并没有摆脱古希腊哲学家亚里士多德的影响，认为颜色是人的主观印象，所有颜色都是由亮与暗、黑与白按一定的比例混合而成，人们看到的各种彩色其实是从不同深度的媒介中折射回来的光，即从较深的介质投出的光是绿色或蓝色，从表面区域投射的是红色或黄色。现在我们知道，这种观点十分荒谬，也很肤浅。

1648年，捷克医生玛尔西做了三棱镜实验后认为，太阳光与物质相互作用产生了七彩光，他自以为找到了真理，武断地推翻了前人的研究成果——尽管他的观点也是错误的。

科学界对太阳光的颜色以及折射后产生七彩光的成因争论不休，直到另一位科学大师的出现。他的发现终于终止了持续300多年的争论，这个人就是牛顿。牛顿“三棱镜实验”

1666年，伟大的科学家牛顿为了研究光的折射现象，做了一个举世闻名的科学实验。他把实验室的门窗关得紧紧的，屋内一片漆黑，然后在窗户上打开一点缝隙，让一缕明媚的阳光射进来。牛顿把三棱镜放在那缕阳光下，结果奇迹出现了：窗户对面的墙壁上显现出一条靓丽的彩带！彩带在漆黑的房间里显得格外醒目，像一条直线彩虹，美丽极了。牛顿仔细地查验了彩带，一共七种颜色，从上到下分别是赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。牛顿把三棱镜颠倒过来，结果彩带转移到桌子上，也是七种颜色，而且光的顺序没变。

牛顿抑制住内心的激动，一边记录观察结果，一边继续做实验。这时，他将两个三棱镜放在一起，一个镜尖朝上，一个镜尖朝下，中间是互相平行的空间。这时预料中的情况出现了：投在墙上的彩带消失了，取而代之的是一条亮线，光线通过第二个三棱镜被还原成白光了。

牛顿通过实验得出，太阳光有赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，通过三棱镜后发生折射，由于七种颜色的光的折射角不同，因此光线会改变方向，散成一条彩带。若让七彩光又穿过同样密度、同样厚度的三棱镜，七种颜色的光将再次发生折射，折射后将重新合成白光，光的传播方向没有发生变化，但是却发生位移。

牛顿的实验是通过最简单的实验器材，最简单的实验手段，发现了最有价值的科学奥秘，解释了最深刻的科学真理！牛顿的三棱镜实验揭开了光的奥秘，也为他后来在光学研究上取得的成功奠定了基础。他发现三棱镜有色散作用后，自己动手制作了第一架能避免色散的反射望远镜，它是现代大型光学望远镜的鼻祖。大开眼界牛顿的三棱镜实验可谓取得了空前的成功！后来他从实验中获得启发，发现了三原色，即红、绿、蓝，利用三原色可以组合成任何颜色的光。现在，人们利用三原色原理发明了彩色显像管、彩色照片、彩色印刷等。美国《科学》杂志认为牛顿的三棱镜实验是世界上十大最美丽的物理实验之一。

黑暗中的可视本领

每到傍晚，太阳落山，大地渐渐变暗。这时华灯初上，家家户户的房间明亮如昼。大人们在灯下忙碌着准备晚饭，小朋友们在台灯下认真地写作业。啊，光，多么美好的事物，给世界带来无限的光明。小朋友们想过没有，当你在明亮的灯光下阅读、写作业时，是否想过大自然里的动物如何应对这漆黑的夜？

别担心！生物的进化是很公平的，人的眼睛能看到五颜六色的事物，动物们的眼睛也各有千秋，有自己独特的本领，不见得比人类的差。夜里，猫头鹰立在高高的枝头，它的眼睛睁得大大的，警惕地盯着田野，任何风吹草动都逃不过它的眼睛。原来猫头鹰的眼睛与众不同，瞳孔很大，能在夜里看到微弱的光。人类在漆黑的环境下什么都看不到，但猫头鹰却能看得一清二楚。它独特的本领是几百万年进化的结果，是赖以生存的看家本领。漆黑的田野是猫头鹰活动的舞台，明亮的太阳光反而使它睁不开眼，因此猫头鹰更喜欢黑夜而讨厌阳光明媚的白天。

猫头鹰能在黑夜里视物，而蛇能看到任何有温度的事物。蛇长期在幽暗的环境里生存，眼睛早已退化，看不到任何东西，但却对温度极为敏感。如一只老鼠从前方爬过，蛇能通过红外线探测到十分微弱的温度差，从而断定前方有猎物。更为神奇的是，当蛇猛地袭击老鼠时，未必会一击而中，但却可以将毒液注入老鼠体内，老鼠挣脱后匆忙跑走，这时蛇不慌不忙，利用红外线追踪老鼠的逃跑路线，最终找到中毒身亡的猎物，饱餐一顿。原来红外线也是一种光，任何有温度的猎物在蛇的眼里就是一团火红的、活蹦乱跳的物体。猎物走过的路线，也会留下极微小的温度变化，蛇靠着红外线就能“看”到猎物，并找到逃跑路线。蛇正是以这种方式探测猎物，追踪猎物的。

科学家受到启发，利用猫头鹰的眼睛结构原理制作了“电子鹰眼”，飞行员带上后视觉更加宽阔。人们还利用蛇眼工作原理研制了红外线成像仪和红外眼镜，戴上这种眼镜可以在夜里看到景物；士兵则可以在夜里执行任务，甚至狙击几百米之外的敌人；安装到摄像机上的成像仪则可以在夜里拍摄。大开眼界据科学家计算，一头猫头鹰仅一个夏天就能逮住1000只田鼠，能为人们挽救1吨粮食的损失。猫头鹰几乎没有天敌，但自然死亡率很高，加上人们常常使用灭鼠药、杀毒剂，导致猫头鹰死亡率更高，数量呈逐年减少的趋势。

光污染

说起污染，小读者们一定会想到浓烟滚滚的工厂，排放尾气的汽车，随风飘荡的塑料袋，或者工程机械刺耳的轰鸣声，但你们听说过“光污染”吗？知道“光污染”的危害性吗？“光污染”一点儿也不比大气污染危害性低，随着城市的发展，越来越多的高楼大厦拔地而起。为了追求美观和清洁方便，这些大楼的外墙采用的材料是明亮的玻璃。是玻璃就会反光，太多的反光会让人头晕目眩，感觉很不舒服，这就是光污染。光污染还不止这些，如晚上眼花缭乱的霓虹灯、广告牌，道路上一束束汽车灯，家庭装修用的光滑洁白的瓷砖反光等。这里有发光体发出的光，也有反射光，但这些光都会刺激人的神经，人长时间待在强光环境下，会精神萎靡、意志消沉、心烦气躁，甚至会得精神病。任何一个有此表现的患者或许做梦也不会想到，他的精神不佳和周围的玻璃墙有关。“光污染”的分类及形成

光污染一般发生在城市，国际上将其分为三类，即人工白昼、白亮污染、彩光污染。人工白昼即我们通常所说的广告牌、霓虹灯等人造亮光。按照人类正常的生理习惯，入夜时人会感觉疲倦，即将进入睡眠状态。可当夜幕降临，饭店、商场、酒店、广场亮起巨大的广告牌、霓虹灯以此招揽顾客，眼花缭乱的灯光彻夜闪烁，有些地方甚至模仿20世纪福克斯电影的片头，用强光束射向天空，夜间亮得像白昼一样，整个城市成了“不夜城”，这就是所谓的人工白昼。在这样的环境里，不仅人难以安静入睡，还会打乱鸟类及昆虫的生物钟，破坏它们的生活习性，甚至破坏生物在夜间的正常繁衍活动。

白亮污染是指城市建筑物玻璃墙面、家装釉面墙砖、光滑大理石面和各种反光涂料等，反射的太阳光或明亮灯光，对人造成的危害。有专家研究后发现，亮光会对人的视网膜和虹膜造成不同程度的伤害，会导致视力急剧下降，提高白内障发病率，情况严重者会失眠、情绪低落、食欲下降、身体乏力等。

彩光污染是指某种特种氖气灯发出不同颜色的灯光，其中有些颜色灯光对人有害。如舞厅安装的黑光灯，旋转的彩灯，幽暗的荧光灯等。尤其是黑光灯，它发出的紫外线强度超过太阳紫外线很多倍，对人体影响很明显。长时间照射这种灯光，会引发白血病，致使视力降低，牙齿松动、脱落，甚至会导致皮肤癌。

有关研究表明，现在中学生近视率居高不下，原因并非用眼习惯导致，其幕后“凶手”就是日益严重的光污染。因此有专家建议，城市尽量少用反光玻璃，家装时尽量少用光滑明亮的瓷砖等建材。本章，我们初步认识了神秘的光，了解了光的本质，明白了光学的一些基本常识，如视觉的产生、小孔成像、三维立体影像等原理，初步掌握了光的知识和人类研究光学的历史。人类对光的本质的认识贯穿于近代物理学的整个过程，直到今天，古老而又新鲜的光学依然是现代自然科学领域里的一支奇葩，占有重要位置，而光本质的问题依然是光学研究的重大课题。人类在光学的研究方面从未停止过前进的脚步，面临诸多疑惑和迷茫时从未轻言放弃，科学家们依然在研究光的本质，并为最终完全解开光之谜而继续探索着。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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