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1701075520 我们都是科学家:那些妙趣横生而寓意深远的科学实验(修订版) 3 沿弧线传播的光
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1701075524 一分钟简介
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1701075526 本章,我们通过把糖溶解在水中制造出一种‘神奇’的溶液,使一束激光通过它时,不再沿直线传播,而是划出一道美丽的弧线。通过仔细研究这道弧线,我们可以推测出糖分子在水中不同高度分布的规律,并用热力学理论中著名的‘波尔兹曼分布’来进行实验数据的拟合。我们还能看到光的偏振在这里又有特别的‘才艺展现’。
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1701075528 闲话基本原理
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1701075530 我上初中时,物理老师在讲到光沿直线传播的时候喜欢举例说:“如果光不沿直线传播,那厕所里还能呆人吗?”于是我们认识到了光沿直线传播的重要性。但是光总是沿直线传播吗?很显然不是。光在空气和水的表面会发生折射是我们熟悉的场景,但是我们也可以说光还是沿着直线传播的,只不过,当这条直线遇到空气和水交界处时弯折了一下。在空气和水中光线还是分别沿直线传播的,如图3.1所示。
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1701075535 图3.1 光在空气和水交界处发生弯折
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1701075537 有什么办法让光沿弧线传播呢?
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1701075539 让我们仔细研究一下图3.1所描述的现象。从高中物理课中我们知道,由于水的折射率比空气的折射率大(空气折射率约为1,水折射率约为1.3),光线进入水中时会向下弯折,而且有公式:
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1701075544 这个公式的推导可以在光学书上找到,但是令我印象深刻的还是高中老师打的一个比方,他说光的折射就像是拉一辆两轮车斜着从水泥地跑到沙坑里。先入沙坑的那个轮子速度迅速降低,所以两轮车的运动方向就会改变。这个过程和光的折射是非常类似的。
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1701075546 设想一下,如果我们在水的下面放置另外一种物质,它的折射率比水更高,比如玻璃(折射率1.5),则光线在水和玻璃的交界面会发生另一次折射。如果我们有很多层物质,每往下一层折射率就高一点,这样光线就会沿着一条多边折线传播了,如图3.2所示。
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1701075551 图3.2 光线沿着多边折线传播
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1701075553 更进一步,设想图3.2中每一层物质的厚度变得很薄,那么,这条多边折线的每一段都很短,最终趋向于一条光滑的弧线。这就像微积分中“化曲为直”的思想,弧线可以用无数条极短的直线来代表。
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1701075555 方法找到了,怎么实现呢?大自然替我们解决了这个问题。我们喝糖水的时候都有这样体会,糖水越喝越浓,光线在越浓的糖水里传播速度越慢,这不难理解,浓稠的糖水黏乎乎的,光子要从中挤出一条道来必定不容易,所以速度就减慢了。而折射率n=C/v,其中C是真空中的光速,v是糖水中的光速,速度越慢对应的折射率就越大。一杯糖水从上到下浓度慢慢地递增,折射率也慢慢地递增,这就是大自然赐予我们的一个极佳的工具来让光沿着弧线传播[1]。
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1701075557 这看起来很容易,不是吗?那就动起手来,让光在我们的眼前弯曲吧!
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1701075559 动手实践
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1701075561 第1个实验 让激光划出一道弧线
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1701075563 所需材料
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1701075565 一个装水的盒子(图中的盒子是用有机玻璃制作的,读者也可以使用长方形的玻璃或塑料饭盒)。
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