正文 第九章 折射定律(1 / 3)

正確的折射定律是兩個人建立的——荷蘭數學家威裏布裏德·斯涅耳和法國數學家笛卡兒。

斯涅耳於1591年出生於荷蘭萊頓,他曾在萊頓大學擔任過數學教授。1621年,在開普勒的研究結果的啟示下,斯涅耳通過實驗確立了開普勒想發現而沒有能夠發現的折射定律。當時斯涅耳注意到了水中的物體看起來像漂浮的現象,並試圖揭開其中的奧秘,由此便引出了他對折射現象的研究。

之後,斯涅耳做了進一步的實驗。

在實驗中,他應用開普勒的方法發現:

從空氣到水裏並落在容器垂直麵上的一條光線在水中所走的長度,同該光線如按未偏離其原始方向而本來會通過的路程成一定的比。他指出:折射光線位於入射光線和法線所決定的平麵內,入射光線和折射光線分別位於法線兩側,入射角的正弦和折射角的正弦的比值對於一定的兩種媒質來說是一個常數。

斯涅耳的這一折射定律是從實驗中得到的,沒有做任何的理論推導,雖然正確,但卻從未正式公布過。1626年,就在斯涅耳去世不久,惠更斯和伊薩克·沃斯兩人在審查他遺留的手稿時,才看到他關於發現折射定律的記載。

1637年,法國數學家笛卡兒進一步完善了斯涅耳光的折射定律,第一次給出了折射定律的現代表述形式。他提出了光就是由某種介質傳遞壓力的模型,從數學上導出了用正弦函數形表述的折射定律。傳統上認為,斯涅耳是首次從物理上闡明了光的折射定律,而笛卡兒則是第一次給出了它的數學公式。因此,折射定律被稱為斯涅耳定律,也有人稱為笛卡兒定律。

折射定律的發現引起了許多著名學者的強烈反響,紛紛從不同的物理角度,采取不同的數學工具來解釋和證明折射定律。折射定律是幾何學最重要的基本定律之一,它的發現使幾何光學獲得了進一步的發展。

夫琅和費的“光”榮1787年,夫琅和費出生在德國南部的斯特勞賓鎮,父親是玻璃工匠。11歲時,夫琅和費就失去了父母,成了孤兒,後來,他在一個鏡子製造店當學徒,並自學數學和光學。在一個貴族的資助下,夫琅和費脫離了學徒生活,進入學校學習。

夫琅和費對光學表現出了真正的愛好。畢業後,他被雇用到光學工廠工作,並迅速上升為合夥人。

在光學工廠工作期間,夫琅和費認識到所用玻璃的質量與製成的光學儀器的性能之間有著密切聯係。

於是,他就開始研究如何改進玻璃的製作方法。

1814年的一天,夫琅和費做了一個實驗。在實驗中,他用自己改進的分光儀,發現並仔細研究了太陽光譜中的若幹條暗線,這就是著名的夫琅和費譜線。後來,他還利用衍射原理測出它們的波長,將576條(實際上約有3萬多條)暗線編製成表,並用字母A、B、C、D……將其中主要的線命名,還在星光中發現了某些譜線。夫琅和費用這些譜線測量了各種光學玻璃的折射率達到以前從未有過的精度,解決了大塊高質量光學玻璃製造的難題。夫琅和費成為光譜學的奠基者之一,而光譜學技術的精密化,是在夫琅和費逝世50年之後發展起來的。

因為儀器的機械部分和光學部分是同樣重要的,所以夫琅和費還解決了各種技術問題。他用幾何光學理論設計和製造了消色差透鏡以取代過去盲目試驗的方法,首創用牛頓環方法檢查光學表麵加工精度及透鏡形狀。多帕特折射望遠鏡有一個直徑24厘米的透鏡,重量1000千克,就是他的傑作之一。

1821年,夫琅和費發表了平行光單縫衍射的研究結果,做了光譜分辨率的試驗,第一個定量地研究了衍射光柵,製成260條平行線組成的光柵,用它測量了光的波長。兩年後,夫琅和費擔任慕尼黑科學院物理陳列館館長和慕尼黑大學教授。在工作之餘,他仍然沒有中斷自己的研究。

就在這一年,他得出了至今通用的光柵方程。

夫琅和費的偉大發現很快就傳開了,巴伐利亞國王聽到了這件事情,非常欣賞夫琅和費的才識,並親自封夫琅和費為貴族。夫琅和費的地位很快得到了提升,他的事業達到了人生的頂峰——他與人和合辦的光學研究所由於技術先進,成為當時世界上最先進的光學公司。夫琅和費是把理論光學工作、玻璃製造技術與機械精度和卓越才能結合起來的範例,對德國的光學工業產生了長遠的影響。許多著名光學家,例如佩茨瓦耳、斯坦海爾、阿貝和一些光學公司,都是直接或間接地從夫琅和費傳承下來的。

然而夫琅和費和其他許多物理學家一樣,多年來都未認識到光譜線的無比重要性,直到約1860年,人們才知道它們作為原子或分子發出的信號意義。

“阿基米德死光”

在公元前214年的一天上午,晴空萬裏,陽光燦爛,羅馬帝國的數十艘戰船向西西裏島的錫拉茲城進攻。希臘科學家阿基米德和國王站在高高的礁石上,觀察著海麵。遠處那漸漸變大的一隻隻帆影,說明羅馬帝國軍隊的大舉進攻又要開始了。城堡中的兵力已經很少了,情況十分危急。這時,阿基米德建議國王,命令人們把全島所有的鏡子統統拿到岸邊,在海岸上嚴陣以待。當羅馬戰船駛近時,一聲令下,全島所有的鏡麵都把太陽的反射光對準入侵的敵指揮船的油布帆。頃刻,無數道耀眼的光芒射向敵指揮船,使那浸過油脂的船帆燃起衝天大火。羅馬人大驚失色,駕駛戰船狼狽逃回。阿基米德用智慧拯救了這座城市。古羅馬人將鏡子反射的太陽光稱為“阿基米德死光”。

這個傳說是真是假已無據可考,但在1973年,希臘的一名工程師成功地重現了這一過程。他把幾十塊大平麵鏡交給士兵握持,要求他們把太陽光會聚在離海岸約40米遠的一隻小船上。當士兵們把鏡子所反射的光束準確地對著小船,幾秒鍾後,小船就著火燃燒了。

看過電視連續劇《三國演義》的人都知道其中有一段“孟德獻刀”的戲,說的是曹操趁董卓睡覺時欲行刺,沒想到當他走近床邊時,董卓突然翻過身來,曹操急中生智,說是有寶刀一把,欲獻給董卓。其實董卓當時臉朝裏躺著,但並沒有睡著,他從床裏的鏡子中看到了曹操提刀走近他。

當然,那時還沒有玻璃鏡,而是一麵磨得非常光滑的銅鏡,所以鏡子的“鏡”字至今還是“金”字偏旁。

上麵的故事中,人們既可以用鏡子改變光線的方向,又可以從鏡子中看到身後的東西。那麼,鏡子為什麼會有這麼神奇的作用呢?首先讓我們來回顧一下初中學過的光學知識。不論是透明物體還是不透明的物體,都要反射一部分射到它表麵上的光。光在反射時遵循以下的規律:反射光線跟入射光線和法線在同一平麵上,反射光線和入射光線分別位於法線兩側,反射角等於入射角,並且當光線逆著原來反射光線的方向射到反射麵上,它就要逆著原來入射光線的方向反射出去,在反射現象裏,光路是可逆的。

當平行光線照射到平麵鏡上時,它們的反射光也是平行的。

這種反射叫做鏡麵反射。在鏡麵反射中,反射光向著一個方向,其他方向上沒有反射光線。我們平時照鏡子時使用的就是平麵鏡。高度拋光的金屬表麵、平靜的水麵等物體表麵也具有平麵鏡的特性。

平麵鏡可用於成像和改變光路,因此,在日常生活中有著廣泛的應用。

比如在井口安置一塊平麵鏡,隻要隨時調整平麵鏡的角度,就可以使傾斜的太陽光豎直向下照亮很深的井底。還比如汽車駕駛室的兩側都裝有平麵鏡(或凸麵鏡),使司機不需回頭就能看到車後的情景,以利於安全駕駛。在十字路口或公路拐彎處常立有一塊平麵鏡(或凸麵鏡),向東開的汽車司機可以從鏡中看清有沒有由南往北或由北往南的汽車,以利行車安全。

在現代軍事光學儀器中,光的反射原理在軍事領域中的應用更為廣泛,平麵鏡已成為軍事光學儀器中不可缺少的基本元件。軍事活動中已經普遍使用的太陽灶、太陽能電池等都可以說是“阿基米德死光”的延續。

在“阿基米德死光”基礎上發展起來的太陽能利用技術,開辟了軍事能源的新前景。

戰場的“障眼法”

19世紀末,非洲布爾人在反抗英國殖民軍的戰爭中,聰明的布爾人就成功地使用了戰場“障眼法”。那是初夏的一天,在非洲南部奧利瓦茨河畔,一支裝備精良的英軍騎兵部隊,奉命前往襲擊布爾人設在山穀中的營地。當這支部隊進入一片叢林時,突然遭到來自密林深處的冷槍射擊,英軍紛紛落馬,頓時隊形大亂,指揮官慌忙組織還擊,可是英軍士兵除了能聽見來自四麵八方的槍聲外,怎麼也看不見目標。原來,聰明的布爾人巧妙地利用了自然保護色。他們身著草綠色的衣服,手持塗成草綠色的武器,靜靜地潛伏在綠色的叢林背景之中,使敵人不易發現他們,而身著紅色軍裝的英國士兵在綠色叢林中卻十分顯眼,成了布爾人射擊的活靶子,傷亡慘重。後來,英國把紅色軍裝也改成了暗綠色。從此,軍綠色便在各國軍隊中迅速推廣使用,軍用迷彩服也逐漸發展起來。

顏色有這麼多的妙用,那麼,顏色是怎麼形成的呢?怎麼才能更好地利用顏色來為我們服務呢?物理學的理論指出,白光是由各種不同顏色(即不同波長)的可見光混合而成的。波長最長的可見光是紅光,波長最短的可見光是紫光。人眼所能看到的不同顏色的光,實際上是因為不同的物體對不同波長的光波會有選擇性地吸收的緣故。例如,紅旗能呈現紅色主要是因為它能反射紅色光波而吸收其他光波,綠葉能呈現綠色主要是因為它能反射綠色光波而吸收其他光波,煤炭呈現黑色是因為它吸收了各種波長的可見光。因此,展現在我們眼前的是絢麗多彩的大自然。

從事戰爭的人都深刻了解在戰場上隱蔽的重要性。因此,利用顏色這一物理現象進行隱蔽逐漸受到各國的重視。人們研製了各種各樣的迷彩偽裝材料,在戰爭中發揮了巨大的作用。現有的迷彩偽裝可分為單色保護迷彩和多色變形迷彩。

單色保護迷彩能夠起到降低目標顯著程度的作用,適用於在單調背景(如草原、沙漠、雪地、海洋等)中偽裝軍械和士兵。

單色保護迷彩的應用十分廣泛。目前,各國軍隊都在軍裝和武器塗色的設計上考慮了顏色的問題。許多國家使用綠色為軍裝的主色,以便於在叢林、田野中隱蔽自己。在多雪地的國家,軍隊往往配發白色的雪地作戰服,而在多沙漠的國家中,軍隊的軍裝往往采用近似於沙土的顏色。在武器裝備的塗色上,所用的顏色也是十分講究的,例如,各國的軍艦的兩側及上層建築的側麵一般都塗上淺灰色,在遠處看跟海麵的顏色融為一體。為了適應沙漠地區作戰的特點,以色列將坦克塗成沙土色;英國的坦克則使用帶黑色貼片的青石色,等等。

多色迷彩是由兩種以上顏色組成的形狀、大小不同的斑點迷彩。大斑點可以是單色的,也可以由幾種顏色不同的小斑點構成,其斑點的顏色既能與背景相融合,又能歪曲被偽裝物體的外形,因此又稱為變形迷彩。

多色迷彩偽裝很早就被用於軍服。1929年,意大利首先研製成功一種由棕色、黃色、綠色和黃褐色4種顏色組成的迷彩服。在第二次世界大戰中,德軍和美軍等也都相繼使用了多色迷彩服。迷彩服上的彩色斑紋和圖案都是經過服裝設計師們精心考慮的。比如,斑塊邊緣的線條一般不是直線而是曲線,因為自然界中沒有方方正正的花草;在右臂上的圖案一般不在左臂的相同位置出現;衣領也不是隻用同一種顏色,因同一種顏色的反射特性相同,在敵方的偵視儀器屏幕上容易出現衣領的圖案。

戰後,美軍研製了一種由深、淺兩種顏色組成的雙重迷彩圖案,從遠距離上看是巨大斑點的標準迷彩,而在近距離上看又變成了由很多小斑點組成的色彩圖案,它利用顏色讓人產生錯誤的視覺,使人難以將被偽裝的物體與周圍的環境分別開來,從而大大提高了美軍戰術車輛的偽裝效果。

在海灣戰爭中,美軍有不少人員懷揣著一個精巧的小化妝盒,內有一麵小鏡和四塊膏狀顏料塊,分別為白、黑、棕、綠四色。使用者可根據周圍環境的顏色,用這四塊小“香皂”輪番塗抹於臉龐、雙手及其他暴露部位,畫成“迷彩”斑紋。於是,人就像“變色龍”一樣,轉眼間偽裝起來,猶如施了“隱身”之術一般。