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第6章 美丽的光(3)

除了散射外,太阳光还会被臭氧分子和水蒸气吸收。因为空气层散射和吸收的共同作用,所以使到达地面的太阳光消耗了很多能量,早晨和傍晚时太阳光经过空气的路程长,损失的能量多,所以,我们才能看到美丽的日出和日落。

当空气受到污染时,太阳光在穿过这些受污染的空气层时,强度就被削弱了很多,太阳看上去更红一些,因为它失去了蓝色、黄色和绿色的成分。此外,臭氧和水蒸气还会吸收光能,从而使太阳呈现出暗淡、橘红的颜色。

同样的道理,空气中悬浮着很多污染物,较大的颗粒在地面附近形成了较浓密层,当太阳光穿透浓密层时,它逐渐褪色,呈现出橘红色。散射的光丧失了很多波长较短的光波,使红光得以穿透,天空便呈现出暗红色。

其实,不仅是傍晚天空的颜色能揭示大气受污染的情况,天然的“污染”也会对天空的颜色产生一定的影响。比如,火山喷发出来的大量灰尘、热气体和水蒸气进入大气时,灰尘的颗粒和其他一些微粒最终在离地面近20千米左右的地方汇聚集成层。这时,空气层散射太阳光的效果就会非常明显,使太阳呈现出蓝色或者绿色。

无论污染是天然的还是人为的,都是一种不好的现象,为了我们的健康以及后代的幸福,我们应该禁止将污染物排入大气,只有这样,我们才能欣赏到蔚蓝的天空。

墨镜如何保护眼睛

故事里的大学问

夏天,不少人喜欢戴墨镜,以遮挡紫外线。那么,你知道墨镜是怎么产生的吗?墨镜的产生要从不反光玻璃的诞生说起,这种玻璃在任何光照下都是完全透明的。不反光玻璃的发明者是美国科学家凯瑟琳·布洛杰特。

这位美国女科学家是诺贝尔奖得主欧文·朗谬尔的助手。那时,欧文从事分子膜的研究。布洛杰特在20世纪30年代末发现,将一种钡的薄膜放在透镜上,可减少透镜的全反射光。于是不反光的眼镜诞生了。

那么,你能用光学知识解释一下墨镜是如何保护眼睛的吗?

真相是这样的

众所周知,墨镜能阻挡令人不舒服的强光,可保护眼睛避免紫外线的伤害。它之所以能达到这样的效果都归功于金属粉末过滤装置,它们能在光线射入时对其进行选择,即有色眼镜利用金属粉末(铁、铜、镍等)能有选择地吸收组成太阳光线的部分波段。

当光线照到镜片上时,因“相消干涉”的作用,某些波长的光线(这里指的是紫外线a,紫外线b,有时还有红外线)穿过镜片时,在镜片内侧相互抵消。一个波的波峰同其靠近的波的波谷合在一起,就可导致相互抵消。相消干涉现象取决于镜片的折射系数,还取决于镜片的厚度,一般来说,镜片的折射系统根据化学成分的差异而不同。

还有,变色眼镜的镜片能在太阳光线射来之后变暗,当照明减弱之后,它又重新变得明亮,这是卤化银的结晶体在起作用。在正常情况下,卤化银能使镜片保持完美的透明度。但在太阳光的照射下,晶体中的银便分离出来,处于游离状的银在镜片内部形成小的聚集体。这些小的银聚集体呈不规则块状,它们只能吸收光线,不透射光线,其结果是使镜片变暗。在光暗的情况下,结晶体又重新形成,镜片恢复到明亮状态。

利用光学原理,人们还制作出了偏振光眼镜。这种眼镜经常被钓鱼爱好者使用,它是用于观察水面、浮漂时,可消除浮漂、水面反光的特种眼镜,镜片颜色有茶色、灰色和墨绿色。其原理是在光波中有自然光和偏振光两种。自然光的电磁波是向四面八方振动的。垂钓者用肉眼和普通太阳镜观察水面上的浮漂时就会出现倒影,加上水面反光,很难看清浮漂。偏振镜片中间的胶膜内有无数细小的杆状晶体,朝一个方向均匀排列,所以,通过偏振眼镜后的光线只能朝一个方向振动。

早晨的太阳更大吗

故事里的大学问

有这样一个故事:有一天,一只骆驼去远方送货物,在路上遇到一只小老鼠。小老鼠第一次见到骆驼,看到骆驼比自己高大很多,认为骆驼一定见多识广。于是,小老鼠问骆驼:“你去过太阳的家吗?”

骆驼听后哈哈大笑说:“太阳离我们这里很远很远,没有人能上去,我从来没听说过谁去过太阳的家。”小老鼠不相信骆驼的话,就反驳道:“我们可以在太阳离我们较近的时候去啊?你看早晨太阳大大的,就说明离我们很近,中午的时候太阳就小一些,说明离我们很远。”小老鼠的一番话让骆驼无言以对。

我们当然知道太阳离我们很远。那么,你又该如何解释小老鼠的疑问:太阳为什么早晨的时候要大一些,中午的时候看起来小一些呢?

真相是这样的

如果你是一个善于观察的人,就会发现初升的太阳和傍晚的太阳比中午的太阳要大些,这主要是因为早晨和傍晚的阳光进入地球的大气层时折射效果特别明显,而中午直射的成分多,所以,早晨和傍晚看到的太阳比实际大,且位置比实际的高。

我们知道无论是早晨的太阳还是中午的太阳,其大小都是没有变化的,之所以看上去不同,那是因为人们的视觉出了问题。这就要从视觉的形成说起,物体发射出的光被人眼的水晶体(透镜)成像在视网膜上,使感光细胞感光,然后由视神经将信息传送给大脑皮层,经过信息加工、处理后形成视觉。

在视觉形成过程中,出现了原样被修改的情况,比如,同样大小的物体,黑色的物体看上去会比白色的显得小一些,还有一幅画上的蓝天看上去会比建筑物高一些。也就是说,目标与背景的对比度,色彩的不同,色彩的衬度等都会在不同程度上修改原样。

早晨太阳刚刚升起,背景较为暗淡,在暗背景上的亮目标就会显得大一些,再加上早晨的太阳是红色的,人们又以大地作为参照物,所以,太阳看起来又大又圆。而中午的太阳悬挂在天空中,人们以天空为参照物,加上没有另外的参照物,太阳看起来就会小一些。

这种现象日常生活中经常遇到。比如,胖人穿黑色或者深色的衣服看上去就会显得瘦一些,瘦人穿上浅色的服装看上去就会丰满些。还有电影摄制中用移动布景的方法造成交通工具运行的假象。又如汽车、飞机等供训练驾驶员的模拟装置,军事上的各种伪装及按形体的服装的设计,花色的匹配等和错觉都有一定的关系。如果你注意到视觉的这一特点,会发现生活中有很多非常有趣的现象。

大家都有这样的体会:早晨会感觉清爽一些,中午会热一些,这又是为什么呢?中午时较早晨热是因为中午太阳光是直射到地面上的,而早晨太阳光是斜射在地面上的。可以看出太阳光直射时,地面和空气在相同的时间里、相等的面积内接受太阳的辐射热比早晨太阳光斜射时多,所以,我们会感觉中午更热一些。

实际上,影响天气冷热主要取决于空气温度的高低,而决定空气温度的主要因素是太阳的辐射强度,但太阳光热并不是直接使气温升高的主要原因。因为空气直接吸收阳光的热能只是太阳辐射总热能的一小部分,其中大部分被地面吸收了。地面吸收了太阳辐射热后,再通过辐射、对流等传热方式向上传导给空气,这才是使气温升高的主要原因。

为什么是红灯停、绿灯行

故事里的大学问

一天早晨,父亲开车送李莉去上学,在十字路口遇到了红灯,李莉有些不耐烦地对爸爸说:“真烦人,又是红灯,没有红灯多好啊,畅通无阻!”爸爸笑着说:“没有红灯,每个人都急着过马路,还不乱套了?”

李莉哼了两声,又对爸爸说:“我觉得这红绿灯设计得一点都不合理,有些人天生是红绿色盲,都不能开车,如果把信号灯设计成其他颜色,不就可以避免这个问题了吗?”爸爸笑着说:“那可不行,别说是把信号灯设计成其他颜色,就是换成绿灯停、红灯行都不可以。”

李莉摇晃着脑袋,表示不理解。那么,你知道为什么一定要把红灯设计成停止的信号吗?

真相是这样的

众所周知,红灯停、绿灯行。可你是否想过为什么要这样设计呢?这就要从光的频率与波长说起。

我们把太阳光称之为白光,如果让太阳光通过一块三棱镜,三棱镜后的光屏上就会出现一条由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等颜色组成的光带,这说明白光是由这些色光组成的,白光叫作复色光,各种颜色的光叫单色光。单色光的颜色由频率决定,红光频率最低,波长最长;白光频率最高,波长最短。其余颜色的光按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序排列,频率越来越高,波长越来越短。

光在空气中传播时,会遇到水蒸气微粒、尘埃微粒等障碍物。当光照射到这些障碍物上时,障碍物会将光波的一部分能量散射出去,而另一部分能量将穿过障碍物继续向前传播。波长越短,被散射出去的能量越多,穿过的能量越少。

因此,在相同条件下,红、橙光穿过的能量多,蓝,绿光被散射出去的能量多。正是因为红光穿过的障碍物的能量多,可以传到很远的地方,才使车辆和行人在远处就能看见,及早做好准备,所以用红灯表示停止和危险信号。这就是把红灯设置为停止信号,把绿灯设置成通行信号的原因。

平时,我们经常看到交警、路政人员、清洁工、摩托车和自行车的驾驶者穿着反光背心,你知道这是为什么吗?

反光背心中的反光材料是反光晶格或高亮度反光布,它是运用晶格的微菱形产生折射及高折射率的玻璃微珠回归反射原理,通过调焦后以先进工艺制成的。它能将远方直射光线反射回发光处,无论白天还是黑夜都有良好的逆反射光学性能,尤其是在晚上,能够发挥如同白天一样的高能见度。

穿上这种高能见度反光材料制成的安全服,穿着者可以在散射光干扰下,比较容易地被夜间驾驶者发现,确保了穿着者的安全。

小心光线污染你的生活

故事里的大学问

天气冷了,人们在洗澡的时候经常会开浴霸,殊不知,浴霸使用不当,也会给健康带来威胁。网络上曾有这样一个报道:一个三个月大的婴儿每次洗澡的时候,母亲都会开浴霸,防止孩子冻着。然而,不久后,母亲发现孩子总是不停地揉眼睛,手掌在他眼前来回晃,他的眼珠几乎没有任何反应。母亲带孩子去医院检查,结果发现孩子已经失明。

医生解释说,浴霸灯光的能量和强度特别高,长时间盯着浴霸的灯光,强光进入眼睛反射聚焦在眼球上,就会灼伤视网膜的黄斑,这跟肉眼直接看日食被灼伤是一样的道理。

爱迪生发明了电灯,给人们的生活带来了翻天覆地的变化,殊不知,灯光也会给人类带来麻烦。那么,你听说过光污染吗?它是怎样影响我们生活的呢?

真相是这样的

广义的光污染包括一些可能对人的视觉环境和身体健康产生不良影响的事物,包括生活中常见的书本纸张、墙面涂料的反光,甚至是路边彩色广告的“光芒”都在此列。在日常生活中,人们常见的光污染的状况多为由镜面建筑反光所致的行人和司机的眩晕感,以及夜晚不合理灯光给人体造成的不适。

国际上一般将光污染分成三类,即白亮污染、人工白昼和彩光污染。长时间在白色光亮污染环境下工作和生活的人,视网膜和虹膜都会受到一定的损害,导致视力急剧下降,白内障发病率提高,还会头昏心烦,甚至出现失眠、食欲下降、身体乏力等类似神经衰弱的症状。

夜幕降临后,商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目,令人眼花缭乱。人在这样的环境中生活,会导致夜晚难以入睡,扰乱人体正常的生物钟,使白天工作效率下降。

舞厅、夜总会安装的黑光灯、旋转灯、荧光灯及闪烁的彩色光源构成了彩光污染。彩色光源不仅对眼睛不利,而且会干扰大脑中枢神经,使人头晕目眩,出现恶心呕吐、失眠等症状。

在工作和学习中,我们能否看清一个物体,或能否辨别物体上的细微部分,都与物体表面的被照程度有关系。照度是反映光照强度的一种单位,其物理意义是单位面积上所接受可见光的光通量,照度的单位是每平方米的流明(lm)数,也叫作勒克斯(lx)。

居家空间到底适用何种光源,除依据室内的整体规划,也应考虑用电的效率及各场所所需之应有的照度。每一个不同使用目的的场所,都有其合适的照度来配合。例如:起居间所需的照度为150~300勒克斯;一般书房照度为100勒克斯,但阅读时所需的照度则为600勒克斯,所以最好再使用台灯作为局部照明。

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