《苹果为什么会落地：趣味物理卷》：第5章 美丽的光(2)

------第5章 美丽的光(2)------



照相机的问世

故事里的大学问

现在数码相机已经非常普及了，只要轻轻一按，就可以将完美的画面呈现在大家的面前。那么，你知道第一台相机是什么时候诞生的吗？照相机诞生于1839年，第一台照相机是法国人达盖尔发明的。

最初的相机外观是一个简陋的木箱子，借助暗箱绘画成像原理，“拍”出了世界上第一张永久性照片，它代表着“摄影”的诞生。其实，这只能算作是相机的雏形，没有实现感光成像，真正让照相馆如雨后春笋般出现的是法国人达盖尔发明的银版相机。达盖尔的发明被公之于世的1839年也被称为摄影技术的诞生之年。

那么，你知道照相机的发明运用了怎样的原理吗？

真相是这样的

照相机是利用“凸透镜能成倒立、缩小的实像”的原理制成的，照相机的镜头相当于一个凸透镜，来自物体的光线经过镜头后汇聚在胶卷上，形成被照物体的像。胶卷上涂着一层对光敏感的物质，它在曝光后会发生化学变化，物体的像就被记录在胶卷上，再经过显影、定影后成为底片，再用底片洗印就可以得到相片。

那么，什么是凸透镜呢？凸透镜是中央较厚，边缘较薄的透镜，它主要对光线起到汇聚作用，不过凸透镜成像是有一定规律的，物距与焦距之间的关系不同，凸透镜成的像是不一样的。

以照相机为例，当物距大于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距，像比物小，物像异侧。在这里，需要解释一下，物距是指物体到平面镜（或透镜的光心）之间的距离，焦距是指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。

在光学中，由实际光线汇聚而成，且能在光屏上呈现的像，称为实像；由光线的反向延长线汇聚而成，且不能在光屏上呈现的像称为虚像。实像和虚像的区别就在于实像都是倒立的，而虚像都是正立的。

通过上面的讲解，我们知道照相机是利用“凸透镜能成倒立、缩小的实像”的原理制成的。那么，凸透镜又是利用什么原理制成的呢？

凸透镜是根据光的折射原理制成的，凸透镜是中央较厚，边缘较薄的透镜，分为双凸、平凸和凹凸等形式。因为凸透镜有汇聚作用，所以又称为聚光透镜。较厚的凸透镜有望远、汇聚等作用，这与透镜的厚度有关。

光线从空气进入玻璃时，会发生折射，再从玻璃出来时，又再一次发生折射，且折射的光线都往中间折射，所以，就形成汇聚了。

幻灯机的发明

故事里的大学问

在投影史上，1640年是非同寻常的一年。这一年，一个名叫奇瑟的耶稣教会教士发明了一种叫魔法灯的幻灯机。它运用镜头及镜子反射光线的原理，将一连串图片反射在墙面上，在当时这是非常了不起的发明，很多人为了目睹事情的真相，蜂拥而至。“人怕出名猪怕壮”，奇瑟因为发明了幻灯机而被指控施妖术，结果，他带着他的幻灯机一起上了天堂。

直到1654年，德国的犹太人基夏尔首次记述了幻灯机的发明。最初幻灯机的外壳是用铁皮制成的一个方箱，顶部有一个类似于烟筒的排气筒，正前方装有一个圆筒，圆筒中用一块可滑动的凸透镜，形成镜头。镜头和铁皮箱之间有一块可调节焦距的面板，箱内装有烛光，作为光源。使用时，把幻灯机放在一个黑屋子内，将幻灯片插入凸透镜后面的槽中，点燃蜡烛，光源通过反光镜反射汇聚，再通过透明画片和镜头，形成一根光柱照映在墙幕上。

那么，你知道幻灯机为什么可以把图片照射在墙面上吗？

真相是这样的

幻灯机的种类虽然很多，形状也各异，但是它们的光学系统结构是基本相同的，都是由镜头、画片框、聚光镜、光源和反光镜、机箱等组成，幻灯机是利用“凸透镜能成倒立、放大的实像”这个原理制成的。

幻灯机的反光镜用凹面镜，聚光镜为一组凸透镜，光源发出光线，经过反光镜和聚光镜作用后集中射向幻灯片。当幻灯片处在镜头的1倍焦距和2倍焦距之间时，光源照亮幻灯片通过镜头在银幕上形成一个放大的、倒立的实像。

利用“凸透镜能成倒立、放大的实像”这个原理制成的除了幻灯机以外，还有投影仪。投影仪的镜头相当于一个凸透镜，将投影片处在镜头的1倍焦距和2倍焦距之间时，光源照亮投影片通过镜头在银幕上就可以形成一个放大的、倒立的实像。

既然幻灯机与投影仪都是利用“凸透镜能成倒立、放大的实像”这个原理制成的，那么，两者之间有怎样的区别呢？

投影仪是用两块大的塑料螺纹透镜作聚光器，同时用一块平面镜把像反射到屏幕上，投影仪既能放映大画面的幻灯片，也可以投射直接书写在透明胶片上的文字，使用方便。

幻灯机与投影仪的主要区别是：幻灯机是把要显示的幻灯片，由光源通过光学器件直射到屏幕上；投影仪是把水平放置的投影片，由光源通过光学器件射向平面镜，再由平面镜反射到屏幕上。

望远镜为什么能看那么远

故事里的大学问

17世纪初，在荷兰的米德尔堡小城，眼镜匠利伯希整日忙碌着为顾客磨镜片。在他开设的店铺里有很多透镜，以供客户配眼镜时选用。一些被丢弃的废镜片就放在角落里，成了利伯希三个儿子的玩具。

一天，三个孩子在阳台上玩耍，小儿子双手各拿一块镜片靠在栏杆旁前后比画着看前方的景物，突然他发现远处教堂尖顶上的风向标变得又大又近，欣喜若狂地叫了起来。两个哥哥争先恐后地过来看。利伯希半信半疑地按照儿子说的方法进行试验，果然发现远处的视物被放大了，似乎就在眼前触手可及。

此消息一传开，米德尔堡的市民们纷纷来到店铺要求一饱眼福，不少人愿出一副眼镜的代价买下可观看物景变近的镜片，结果废镜片变成了宝贝。于是，具有市场经济头脑的利伯希向荷兰国会提出发明专利申请。

后来，利伯希进行了改进，在一个套筒上装上镜片，并把两个套筒联结，满足了人们双眼观看的要求，又将这个玩具取名为“窥视镜”。这就是最早的望远镜。

那么，你知道望远镜为什么能看得那样远吗？

真相是这样的

为什么望远镜可以将远处的景物看得十分清楚？这要从望远镜的结构说起。望远镜是由物镜与目镜组成的，接近景物的凸形透镜或凹形反射镜叫作物镜，靠近眼睛的那块叫作目镜。

将远处景物的光源视作平行光，根据光学原理，平行光经过透镜或镜面凹形反射镜便会聚焦在一点上，这就是焦点，焦点与物镜的距离就是焦距。再利用一块比物镜焦距短的凸透镜或目镜就可以把成像放大，观察者就可以看到远处景物被拉近，看得非常清楚。

眼镜匠利伯希是望远镜的发明者，在他之后，人类又发明了天文望远镜以及开普勒望远镜。人们已经将望远镜用于天文，开始探索宇宙的秘密。可以说，望远镜大大地开阔了人们的视野。

现在市面上出售的望远镜大多分为两种：折射望远镜和反射望远镜。折射望远镜的物镜由透镜或透镜组组成，早期物镜为单片结构，色差和球差严重，观看到的天体带有彩色的光斑。

折射望远镜分为伽利略结构和开普勒结构两类。伽利略望远镜的目镜为凹透镜，能直接成正立的像，但视场小。绝大多数常见的望远镜都是开普勒结构，其目镜一般是凸透镜或透镜组，可以安装测距或瞄准分划板，用来测量距离。

反射望远镜最早由牛顿发明，其物镜是凹面反射镜，没有色差、球差。这种望远镜镜筒较短，且易于制造更大的口径，所以现代大型天文望远镜都是反射结构。

显微镜下的奇妙世界

故事里的大学问

显微镜是一种借助物理方法使物体放大影像的仪器，是一个叫札恰里亚斯·詹森的眼镜制造匠人在16世纪晚期发明的，这标志着人类进入了原子时代。遗憾的是，詹森虽然发明了显微镜，但并没有发现显微镜的真正价值。

时隔90多年后，显微镜又被荷兰人安东尼·范·列文虎克研制成功了，并且开始真正地将其用于科学研究。列文虎克是一位荷兰科学家，有“微生物学之父”的称号，他最为著名的成就之一就是改进了显微镜以及建立微生物学。

列文虎克通过手工自制的显微镜，首先观察并描述单细胞生物，他当时将这些生物称为“animalcules”。此外，他也是最早记录观察肌纤维、细菌、精虫、微血管中血流的科学家。他一生中磨制了超过500个镜片，并制造了400种以上的显微镜。可以说，正是列文虎克开启了人类探索微生物世界的大门。

那么，你知道显微镜为什么能让我们观察到微生物吗？

真相是这样的

显微镜主要是用来观察近距离物体的微小细节，被广泛应用于各种科学和技术领域，是一种非常重要的目视光学仪器。

对大多数人来说，显微镜并不十分常见，但你一定接触过放大镜，其实，显微镜与放大镜的作用是相同的，都是将近距离微小的物体放大。两者的不同之处在于放大镜的放大率不高，一般在15倍以下，而显微镜的视觉放大率却可达1000多倍。

放大镜组成结构非常简单，只是一组镜头，本质是一次放大；而显微镜组成结构却非常复杂，一般是两组镜头，本质是二次放大。显微镜的二次放大原理是先利用一块焦距较短的镜头将微小的物体放大成一倒立的实像，也就是将物体横向放大若干倍，然后再利用一块放大的“放大镜”去观察已被横向放大了的第一次成像。

光学显微镜的本领很大，但其最大放大的倍率约为2000倍，而电子显微镜最大放大倍率可以超过1500万倍，所以，通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。

1931年，德国的M克诺尔和E鲁斯卡发明了透射电子显微镜，证实了电子显微镜放大成像的可能性。1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，约为当时光学显微镜分辨本领的10倍，突破了光学显微镜分辨极限。

如今，电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐射损伤。所以，电子显微镜的发展还需要进一步的研究。

天空的色彩

故事里的大学问

晚霞和日出是最壮丽的自然景象之一，小梦每天都会跑到附近的一个小山坡上观看日出和晚霞。日落的时候，太阳是灿烂的黄色，把天空都染成了橙色和黄色，当太阳慢慢地消失在地平线下面时，天空的颜色就慢慢地从橙色变成了蓝色。即使太阳消失了，贴近地平线的云层仍然会继续反射着太阳的光芒。

前不久，小梦跟着爸爸妈妈来到了城里，她只能每天站在阳台上看日出、日落。善于观察的小梦发现，城里的太阳与农村的太阳有很大的区别。在这里，日落的时候，太阳呈现出橘红色，天空也是一片暗红，有时日落以后，天空出现两道宽宽的颜色，地平线附近是暗红色的，而它的上方是暗蓝色。

你能帮小梦解释一下，为什么城里的日落与农村的日落不同吗？

真相是这样的

城里的日落与农村的日落呈现出的景色不相同，是因为污染造成的。那么，为什么在洁净的空气中太阳呈现出黄色，同时天空呈现出蓝色呢？

这是因为人是透过经空气散射的太阳光来看天空的，在未受污染的大气中，大部分的散射是由空气中的分子，即主要是氧和氮分子引起的，这些分子的大小比可见光的波长要小很多。而散射主要影响波长较短的蓝光，所以天空呈现出蓝色。太阳光直接穿透空气，在散射过程中它失去许多蓝色，所以太阳本身呈现出黄色。

当光波波长减少时，散射的程度会加强，所以光波波长最短的紫色光散射最强，靛青、蓝色和绿色的光散射要少，可是我们看到的却是蓝天，这是因为散射光穿过空气时，空气吸收使它丧失了许多能量，波长很短的紫光和靛光虽然散射很强烈，但同时也被空气强烈地吸收，所以阳光到达地面时，所剩的紫色和靛色的散射并不多。其实，我们看到的天空颜色只不过是光谱中蓝色附近颜色的混合色。未完待续......欲知下回，请关注微信公众号： xiaoyida_com ，回复 xse95372 获取完整内容！
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本小说内容节选自：育儿健康小说 《苹果为什么会落地：趣味物理卷》

作者：邳兰会
最后更新于：2016年09月08日
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