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声学篇(下)

什么是立体声？

立体声，顾名思义，指的是具有立体感的声音。

立体声是一个几何概念，是指在三维空间中占有位置的事物。因为声源都有确定的空间位置，声音都有确定的方向来源，人们的听觉有辨别声源方位的能力。特别是在有多个声源同时发声时，人们可以根据听觉感知各个声源在空间的位置分布状况。从这个意义上讲，自然界所发出的一切声音都是立体声，比如雷声、火车声、枪炮声等等。

当我们直接听到这些立体空间中的声音时，除了可以感受到声音的响度、音调和音色外，还能感受到它们的方位和层次。这种人们直接听到的具有方位层次等空间分布特性的声音，就叫做自然界中的立体声。

自然界发出的声音是立体声。如果我们把这些立体声经过记录、放大等处理后而重放时，所有的声音都从一个扬声器播放出来，这种重放声与原声源比起来，就不再是立体的了。这时因为各种声音都从同一个扬声器发出，原来声音的空间感，尤其是声群的空间分布感也就消失了。这种重放声叫做单声。

如果从记录到重放整个系统能够在一定程度上恢复原来声音的空间感，那么，这种具有一定程度的方位层次等空间分布特性的重放声，就称为音响技术中的立体声。

和单声道相比，立体声具有以下优点：具有各声源的方位感和分布感；提高了信息的清晰度和可懂度；提高了节目的临场感、层次感和透明度。

1881年8月30日，克来门·阿代尔在德国获得了一项“改善剧场电话设备”的专利。阿代尔的发明是：把两组麦克风放置在剧场舞台的两边，声音便被分程送到载着受话器的观众的耳中。这项发明在1881年举办的巴黎博览会上首次演示。在那里“播送”巴黎剧场舞台上的演出，获得了很大的成功。很多人认为，这是首次听到了立体声。就在与此同时，有一位叫奥恩佐格的发明家，在普鲁士王储的宫殿里也使用了与阿代尔的发明类似的装置。

立体声最突出的特点是：和单声道或单源音相比，能使听众更容易找到声源的位置。这种现象，和人们用两只眼睛比用一只眼睛更能准确地判断距离的远近是一样的道理。

在第一次世界大战中，有一种用来发现敌人飞机的“双耳接收喇叭”，这种喇叭就是利用了立体声的这一特点，即把两个大喇叭的小的一端用橡皮管连接到操作人员的两只耳朵上，他对听觉方向的敏感度就会大大的增强。

立体声的发展，最初是和电话系统的发展密切相关的。20世纪30年代初期，以弗莱彻等人为指导，以斯托考斯基为顾问的贝尔实验室，是研究立体声的主力军。在贝尔实验室里，有一个叫奥斯卡的聋哑人，他是推进立体声研究的主要人物。奥斯卡是一个裁缝的孩子，由于聋哑，他的两只耳朵里必须安装两个麦克风，以尽量听到声音。1933年4月27日，贝尔实验室作了一次公开实验：把在费城举办的音乐会，通过电话线路以立体声的方式传到华盛顿。

1930年，获得最早的立体声唱片专利权的，是电气和音乐工业公司的布吕姆莱因。

噪音有哪些主要来源？

噪音的来源主要有以下几个方面：

（1）交通运输噪声。目前城市交通日益发达，这给人们的工作和生活带来了极大的便利，但是随之而来的就是交通噪音的增加。随着城乡车辆的增加，以及公路和铁路交通干线的增多，机车和机动车辆的噪声已经成为交通噪声的主要元凶，大约占城市噪声的75%。

（2）工业机械噪声。由于各种工业机器做功时产生的撞击、摩擦、喷射或者振动，能产生七八十分贝以上的声响。虽然很多工厂已经做了一定程度的降噪处理，但仍然不能从根本上消除工业机械所产生的噪声。

（3）城市建筑噪声。近年来随着城市建设的迅速发展，道路建设、基础设施建设、城市建筑开发、旧建筑物的改造以及室内装潢等等，都是城市建筑噪声的制造者。据数据检测，建筑施工现场的噪声一般在90分贝以上，最高者可达到130分贝。

（4）公共场所的噪声。比如餐厅、公共汽车、旅客列车、人群集会、高音喇叭所产生的噪音。有关统计显示，公共场所产生的噪声占城市噪声的 15%左右。

（5）家用电器造成的室内噪声污染。随着居民生活现代化的发展，生活中的家用电器越来越多样化，因此家用电器带来的噪声对人们的危害也越来越大。据检测，家庭中电视机、收录机等所产生的噪音可高达60~80分贝，洗衣机为42~70分贝，电冰箱为34~50分贝。

（6）职业噪音。工作场所中产生的噪音也是噪音的一个主要来源，特别是办公室里的噪音，是由各种不同频率的声音组合而成的。其特点是具有广泛性和音量大。

（7）其他噪音。例如飞机、防盗警钟以及一些其他人为噪音等等。

噪音对人类有哪些危害？

从生理学角度看，凡是干扰人们休息、学习和工作的声音，即人们不需要的声音，统统属于噪音。当噪声对人及周围环境造成不良影响时，就成为一种污染，即噪音污染。随着社会工业的不断发展，环境污染随之产生，噪音污染也就成为环境污染的一种。目前，噪音污染与水污染、大气污染一起被视为世界三大污染。

噪音污染对人类的危害主要体现在以下几个方面：

（1）噪音污染可以引起听力系统的损伤，比如耳鸣、耳痛、听力下降等。据测定，超过 115分贝的噪音就会造成耳聋。据临床医学统计显示，如果在80分贝以上的噪音环境中生活，造成耳聋的概率高达50%。

（2）噪音污染会大大影响工作效率。研究显示，噪音超过85分贝，就会使人感到心烦意乱，从而无法专心地工作，导致工作效率降低。

（3）噪音污染能引起心脏血管损伤。噪音是心脑血管疾病的危险因子，噪音能加速心脏衰老，增加心肌梗死的发病率。医学家经过大量研究实验得出结论：长期接触噪声能使体内肾上腺分泌增加，从而使血压上升，在平均70分贝的噪声中长期生活的人，能使其心肌梗死的发病率增加30%左右。调查显示，生活在高速公路旁的居民，心肌梗死率增加了30%左右。

（4）噪音污染还会引起神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌失调甚至事故率升高等。高噪音的工作环境，可以使人出现头晕、头痛、失眠、多梦、全身乏力、记忆力减退以及恐惧、易怒、自卑甚至精神错乱等。在日本，曾经有过因为受不了火车噪声的刺激而自杀的例子。

（5）影响休息和睡眠。休息和睡眠是人们消除疲劳、恢复体力和维持健康的必要条件。但是噪音却使人不得安宁，给人的休息和睡眠带来了极大的困扰。如果人得不到正常的休息和睡眠，就会出现心态紧张、呼吸急促、脉搏跳动加剧、大脑兴奋等症状，第二天就会感到疲倦或四肢无力，从而影响正常的工作和学习。时间长了还可能引发神经衰弱等病症。

（6）对女性生理机能的损害。女性如果受噪音污染的侵袭，可能引起女性性功能紊乱、月经不调、流产及早产等。

（7）噪音对儿童的身心健康危害更大。由于儿童发育尚未成熟，各组织器官十分娇嫩和脆弱，所以极易受到噪音的损害。不论是体内的胎儿，还是刚出世的婴儿，噪音均可以损伤其听觉器官，导致其听力减退甚至丧失。经专家研究证明，室内噪音是造成儿童聋哑的主要原因之一，如果在85分贝以上的噪声环境中生活，耳聋者可达5%。

（8）噪音对视力的损害。大部分人都知道噪音对听力的损害，却忽视了它对视力的影响。试验显示：当噪音强度达到90分贝时，人的视觉细胞敏感性就会下降；当噪音达到95分贝时，有40%的人瞳孔会放大，会感到视觉模糊；如果噪音达到115分贝，大多数人的眼球对光亮度的适应都会有不同程度的减弱。因此，长时间处于噪音环境中的人很容易产生眼疲劳、眼痛、眼花和视物流泪等不良症状。

噪音有哪些用途？

噪音虽然是世界四大公害之一，但它还是有很多用处的。

（1）噪声除草

很多科学家研究表明，不同的植物对不同的噪声敏感程度不一样。根据这个道理，人们制造出了噪声除草器。这种噪声除草器发出的噪声能使杂草的种子提前萌发，这样就可以在作物生长之前用药物先把杂草除掉，这种“欲擒故纵”的妙策保证了作物的顺利生长。

（2）噪声诊病

悦耳的音乐有治病、健身、愉悦身心的功能，这是人们所熟知的。但是噪声怎么能用于诊病呢？近年来，科学家们制成一种激光听力诊断装置，它是由光源、噪声发生器和电脑测试器三部分组成的。使用时，它先由微型噪声发生器产生微弱短促的噪声，振动耳膜，然后微型电脑就会根据回声，把耳膜功能的数据显示出来，供医生诊断之用。这种仪器测试迅速，不会损伤耳膜，也没有疼痛感，特别适合儿童使用。此外，还可以用噪声测温法来探测人体的病灶。

（3）有源消声

人们通常会采用三种措施降低噪声，即在声源处降噪、在传播过程中降噪以及在人耳处降噪，不过这些措施都是消极被动的。为了积极主动地消除噪声，人们发明了“有源消声”的技术。它的原理是这样的：所有的声音都由一定的频谱组成，如果能够找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相位刚好相反（相差180°），就可以把这种噪声完全抵消掉。关键就在于如何得到这种抵消噪声的声音。办法是这样的：从噪声源本身入手，设法通过电子线路将原噪声的相位倒过来。由此可见，有源消声这一技术实际上是采用了“以毒攻毒”的方法。

（4）噪声抑制癌细胞的生长速度

德国科学家经过大量实验发现：在噪音环境下，癌细胞的生长速度会减慢。这一重要发现为治疗癌症开辟了一条新的途径。目前，德国有关的科学家们正在考虑进行利用可控声音刺激法抑制肿瘤细胞生长的大规模实验，以进一步验证这一发现的可靠性及其可利用的价值。

（5）噪音测量温度

美国科学家近日发明了一种新型的温度计，即利用噪音测量温度。这种温度计能在室温和-272.15℃之间进行准确的测量。耶鲁大学的研究人员用中间隔有一段氧化铝的两层铝制成了这种温度计，被称为采集噪音温度（SNT）的仪器。其工作原理是这样的：对仪器施以电压，产生的电子就会穿过中间的隔层，从而形成电流。电压磁场和噪音量之间的关系，或者说磁差，在电流中是根据温度而改变的。因此，只要知道所施加的电压，这种仪器就能够测出温度。这种新型温度计的优势在于，它是一个原始温度计，不需要外部校准。这是因为电压、噪音和温度之间的关系只依赖于最基本的物理恒量。并且这种温度计在-272.15℃时能精确到1/1000，其精确度是现在用于测量接近绝对零度的温度计的5倍。此外，这种温度计的准确测温范围比其他温度计大得多。因此，这种新型温度计可能比现在常用的直接温度计有着更广泛的用途。

（6）噪音曾被用作刑罚

第二次世界大战期间，某些国家曾经用噪音来折磨战俘。他们用高音喇叭对准敌国间谍，当声响大到让人难以忍受时，受刑者会产生心痛、心情烦躁、思索困难等症状，于是审讯者可以从中套出某些情报。当声响超过130分贝时，受刑者会大汗淋漓、全身抽筋、大声呼叫，甚至撞墙自杀，或因耳膜破裂而导致昏死。

如何消除或减弱噪音对人类的危害？

为尽量减小噪音对人类的危害，我国著名声学家马大猷教授曾总结了国内外现有各类噪音的危害和标准，提出了三条建议：

（1）为了保护人们的听力和身体健康，噪音的允许值在 75~90 分贝之间。

（2）保障交谈和通讯联络，环境噪音的允许值在 25~50 分贝之间。

（3）在睡眠时间，噪音值建议在 35~50 分贝之间。

控制噪音环境，除了考虑人为因素外，还应该兼顾经济和技术上的可行性。科学而充分的噪音控制，必须考虑噪音源、传音途径、受音者三个方面。控制噪音的措施可以针对上述三个方面进行。

因此，噪音控制可以从以下三个方面入手：

（1）降低声源噪音。工业、交通运输业可以采用低噪音的生产设备和改进生产工艺，或者改变噪音源的运动方式，比如用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动。

（2）在传音途径上降低噪音。控制噪音的传播，改变声源已经发出的噪音传播途径，比如采用吸音、隔音、音屏障、隔振等措施，以及合理规划城市和建筑布局等。

（3）受音者或受音器官的噪音防护。如果在声源和传播途径上无法采取措施，或者采取的声学措施仍不能达到预期的效果，那么就需要对受音者或受音器官采取防护措施，比如长期职业性噪音暴露的工人可以戴耳塞 、耳罩或头盔等护耳器。

另外，防治噪声污染还可以采取以下几种方法：

（1）营造隔音林。

（2）将噪声污染严重的企业迁离市区。

（3）利用吸声材料消除噪音。

如何使用吸声材料把噪音“吃”掉？

如果用棉被把一只滴答作响的小闹钟包起来，结果会怎么样呢？它的滴答声被“吃”掉了！

玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、毛毡、棉絮、加气混凝土、吸声砖等物质都可以作为吸声材料。这些材料有的十分松软，有的带有小孔。声波传播到吸声材料上，就会引起小孔隙里空气和细小纤维的振动，由于摩擦的阻碍，声能就转化成了热能，声音就这样被“吃”掉了。

把这种吸声材料装饰在房间的内表面上，或在室内悬挂一些吸声体，房间里的噪声就能得到一定程度的降低。

根据这个道理，我们可以利用吸声材料制作成消声器。消声器是一种阻止声音传播而又允许气流通过的装置。

我们完全可以自行制作消声器来消除可恶的噪音：找一个哨子，再卷个纸筒，纸筒里放上一些泡沫塑料，把哨子放在里边。这时候再吹哨子，哨子的声音就变小了，但气流仍可通过。这就是一种最简单、最基本的消声器，叫做管式阻性消声器。声波进入消声器以后，吸声材料就把声能转化成热能了。

除了管式阻性消声器，消声器还有很多种，比如抗性的、共振式的等等，在各种空气动力机器中起着消声的作用。我国科学家近年来还发明了微穿孔板消声器和小孔消声器，不但消声效果好，而且不怕油，不怕水，使用起来非常方便。

音乐厅中运用了什么声学原理？

音乐厅在设计时主要运用了声学中的混响和回声。

音乐厅是乐队演出的主要场所，除了专门为乐队服务的音乐厅之外，歌剧院、大会堂、大教堂、演播大厅、电影院等都可以作为音乐厅使用。

反映音乐厅质量的主要因素是混响。乐器停止演奏后，声音并不会马上消失，而是伴有余音的，即分贝数渐渐下降，这种现象叫做混响，声学上把声音衰减60分贝的时间称为混响时间。混响是由于声音在室内反射造成的，室外是不存在混响的。

混响时间主要和以下因素有关：

（1）房间的体积—通常房间的体积越大，混响时间就越长。

（2）房间内壁的材质—如果内壁是粗糙柔软的吸声材质，混响时间就会短些；如果内壁是坚硬光滑的反射材质，混响时间就会长些。房间的内壁是指墙壁、天花板、地板，以及音乐厅内一切影响声音传播的障碍物，尤其是坐椅，增加有软垫的坐椅数量会大大缩短混响时间。

（3） 声音的频率—由于高频声音的反射和衍射能力比低频声音差，因此高频声音的混响时间比低频声音短。

如果混响时间太短，就会使声音变得干涩无味，反之如果太长，则会使音乐失去清晰的线条，二者都不利于音乐的欣赏。实践证明，适合乐队演奏的音乐厅，混响时间应该在1.5~2秒。当然，最佳的混响时间并不是固定不变和唯一的，它还取决于听众的爱好、音乐的类型、乐队的规模等因素。

与混响类似的一种现象就是回声，语言和音乐都会在回声的作用下变得模糊不清，因此回声是音乐厅中必须避免的。产生回声的主要原因是声音的反射体，如果反射体表面很平滑，那么声音会作镜面反射，同一束声线(把光学中“光线”的概念运用到声学中即为“声线”)很有可能同时到达某个地方，就会产生回声；如果反射体的表面凹凸不平，那么声音会作漫反射，同一束声线会被反射到不同的方向，然后以不同的时间到达某个地方，从而形成混响。音乐厅的天花板通常有避免回声的装饰，比如很多形状不规则的吊顶等。

除此之外，管弦乐和合唱表演必须使用乐队罩，也就是乐队背后的音板，这样，向上和向后传播的声音就会尽可能多地被音板反射回来，使乐队罩起到聚光灯后凹面镜的作用。反之，如果把音板换成绒布，那么音量将会减轻很多。

电子琴是如何发音的？

电子琴属于电子乐器的一种，既可以演奏不同的曲调，又可以发出强弱不同的声音，还可以模仿二胡、笛子、钢琴、黑管以及锣鼓等多种乐器的声音。那么，电子琴的发音原理是怎样的呢？

我们都知道，当物体振动才能发出声音。振动的频率不同，声音的音调也就不同。在电子琴里，虽然不存在振动的弦、簧、管等物体，却设有很多特殊的电子装置，每个电子装置开始工作，就能使喇叭发出一定频率的声音。当按下某个琴键时，就会使与它对应的电子装置工作，从而使喇叭发出某种音调的声音。

电子琴的音量控制器实际上是一个可调电阻器。当转动音量控制器旋扭时，可调电阻器的电阻就会随之变化。电阻大小的变化就会引起喇叭声音强弱的变化。因此转动音量控制旋扭时，电子琴发声的响度就会随之变化。

在乐器发声时，除了发出某一频率的声音（即基音）以外，还能发出响度较小、频率加倍的辅助音（即谐音）。我们平时所听到的各类乐器的声音是它发出的基音和谐音的混合音。不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数量不同，而且各谐音的响度也不同。因此使不同的乐器具有不同的音品。在电子琴里，除了有与基音对应的电子装置外，还有与谐音对应的电子装置，因此电子琴可以模仿各种不同乐器的声音。

下过大雪后为什么太寂静？

在冬天，一场大雪过后，人们往往会感到外面万籁俱静。这是什么原因呢？难道是人们户外活动减少的缘故吗？主要原因并不是这样的。

刚下过的雪是新鲜蓬松的。它的表面层有很多小气孔。当外界的声波传入这些小气孔时就会发生反射。由于气孔往往内部大而口径小，因此，仅有少部分波的能量能通过口径反射回来，而其余大部分的能则被吸收掉了，从而导致了自然界声音的大部分能都被这个表面层吸收了，因此就出现了万籁俱寂的现象。 当雪被人踩过后，情况就大大不相同了，原来新鲜蓬松的雪就会被压实，从而减小了对声波能量的吸收，这时候，自然界就又恢复了往日的喧嚣。

超声波有哪些用途？

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能、在水中传播距离远等优点，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。目前，超声波在医学、军事、工业、农业等领域都有广泛的应用。

超声波有2个最主要特性：能量大，沿直线传播。它的应用主要是按照这两个特性展开的。

研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量和振动频率的2次方成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因此能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动能使罐中的水破碎成很多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，可以起到增进疗效的作用。利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎。

金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是一件非常麻烦的事情。如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，利用清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能很快把脏东西清洗干净。

超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群就会反射回来，渔船探测到反射波就可以知道鱼群的位置了，这种仪器叫声纳。声纳还可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度等等。

利用同样的原理，也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查其内部是否有气泡、空洞和裂纹等。

人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不尽相同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样。在医院检查常用的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，然后帮助医生分析体内的病变的。

在自然界中，很多动物都具备完善的发射和接收超声波的器官。比如蝙蝠，它的视觉虽然很差，但它在飞行中能不断发出超声波的脉冲，这种超声波一旦碰到昆虫等障碍物，就会以反射波的形式被蝙蝠所接收，从而可以使蝙蝠准确地捕捉到食物。

现代的无线电定位器——雷达，质量高达几十、几百乃至几千千克，而蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，但在某些重要性能方面，如确定目标方位的精确度、抗干扰能力等，蝙蝠都远远优于现代的无线电定位器。深入研究动物身上各种器官的功能及构造，将获得的知识用于改进现有的设备和创造新的设备，这就是仿生学的妙用。

热学篇(上)

什么是热学？

热学是物理学的一个分支，是一门研究物质处于热状态时的有关性质和规律的学科。热学起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的大自然里，冷热现象是人类最常见和最早观察、认知的自然现象之一。

我国早在公元前2000就已经有气温反常的记载；在公元前，东西方都出现了热学领域的早期学说。早在战国时代，我国的邹衍就创立了五行学说，他把水、火、木、金、土称为五行，认为它们是宇宙之源、万物之本。古希腊时期，赫拉克利特提出：火、水、土、气是自然界的四种独立元素。这些都是人类对自然界的早期认识。

1714年，华伦海特改良水银温度计，定出了华氏温标，建立了一个温度测量的共同标准，使热学走上了实验科学的轨道。1912年，能斯脱提出了热力学第三定律，这使人类对热的本质才有了正确的认识，并由此逐步建立起了热学的科学理论。

究竟什么是热？

历史上对于热的认识，曾出现过两种对立的观点。早在18世纪就出现了热质说，这种学说把热看成是一种不生不灭的流质，一个物体含有的热质越多，就具有越高的温度。与此同时，出现了一种和热质说相对立的学说，即把热看成物质的一种运动形式的观点，比如俄国科学家罗蒙诺索夫指出热是分子运动的表现形式。

从实际角度来讲，热质说无法解释摩擦生热的现象，为此，很多科学家进行了各种各样摩擦生热的实验。尤其是朗福德的实验，他用钝钻头钻炮筒，因为钻头和炮筒内壁摩擦，在几乎没产生碎屑的情况下就使水沸腾了；1840年以后，焦耳又进行了大量的实验，证明了热是和大量分子的无规则运动有关的。

焦耳的一系列实验使人们摒弃了热质说，有力地证实了分子运动理论的正确性。

什么是分子运动理论？

分子运动理论是从物质的微观结构出发来阐释热现象规律的理论，比如它阐明了气体的温度是分子平均平动动能大小的标志，大量气体分子对容器器壁的碰撞从而产生对容器壁的压强。此外，它还初步揭示了气体的扩散、热传递和黏滞现象的本质等等。

分子运动理论的基本内容包括：

（1）一切物体都是由大量分子组成的，分子之间存在空隙。

（2）分子永不停息地做无规则运动，这种运动叫做热运动。

（3）分子之间存在着相互作用的引力和斥力。

很多客观事实，比如布朗运动、扩散现象等，都有力地证明了分子运动论的正确性，它可以很好地解释各种不同物质的结构和特点以及所有的热现象，并把物质的宏观现象和微观本质联系起来。

什么是熵？

熵是指体系的混乱的程度。它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有非常重要的应用，在不同的学科中都有引申出的更为具体的定义，是各个领域中十分重要的参量。熵是由鲁道夫·克劳修斯首次提出的，并应用于热力学中。后来，克劳德·艾尔伍德·香农第一次把熵的概念引入到信息论中。

在物理学上，熵是指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯第一次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布的时候，这个系统的熵就达到最大值。克劳修斯认为，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体和一个冷物体相接触，热就会以下面的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直至两个物体的温度达到相同为止。

什么是热力学第三定律？

热力学第三定律是对熵的阐述。一般在封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程，熵的变化即为零。但是理想气体在实际上是并不存在的，因此在现实的物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，只是增加的少。在绝对零度，任何完美晶体（完美晶体是指没有任何缺陷的规则晶体）的熵都为零。这就是热力学第三定律。

1702年，法国物理学家阿蒙顿提到了“绝对零度”的概念。根据他的计算，这个温度的数值即后来提出的摄氏温标约为-239°C。后来，兰伯特又重复了阿蒙顿的实验，更加精确地计算出这个温度为-270.3°C。他说，在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起。但他们二人的这些看法并没有得到人们的重视。

1848年，英国物理学家汤姆逊在确立热力温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限。

1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，从而发现了一个新的规律，这个规律表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系（固体和液体）的熵在等温过程中的改变趋于零。”德国著名物理学家普朗克将这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零。”这就消除了熵常数取值的任意性。1912年，能斯特又把这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。

温度和气温有什么不同？

温度是表征物体冷热程度的物理量，从微观上讲它表示的是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来测量物体温度数值的标尺就叫做温标。温标规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上常用的温标有华氏温标(℉)、摄氏温标（℃）、热力学温标(K)和国际实用温标。从分子运动理论观点来看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。少数几个分子或者是一个分子构成的系统，由于缺乏统计的数量要求，所以是没有温度的意义的。

温度是物体内部分子间平均动能的一种表现形式，分子运动越快，物体就越热，即温度就越高；分子运动越慢，物体就越冷，即温度就越低。这种现象被称为一个物体的热势，或能量效应。如果以数值表示温度，即称之为温度度数。

在物理学中，不能把温度和气温相混淆。气温是指大气层中气体的温度，是气象学中常用的概念。气温是地面气象观测规定高度（即1.25~2.00米，国内为1.5米）上的空气温度。气温直接受日射影响：日射越多，气温越高。气温空气温度记录用来表征一个地方的热状况特征。无论是在理论研究上，还是在国防、经济建设的实际应用上，气温都有着重要的意义。气温有定时气温（基本站每日观测4次，基准站每日观测24次）、日最高气温和日最低气温的分别。气温的常用单位有摄氏度（℃）和华氏度（℉），均取小数一位，负值表示零度以下。

摄氏度和华氏度有什么区别？

摄氏度和华氏度都是用来计量温度的单位。包括我国在内的世界上很多国家都是使用摄氏度，美国和其他一些英语国家则通常使用华氏度。

华氏温度用字母“F”表示，是为了纪念其发明者华伦海特（Gabriel D.Fahrenheir）而命名的。1714年，华伦海特以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，他选用氯化铵和冰水的混合物的温度作为温度计的零度，以人体温度作为温度计的100度，把水银温度计从0度到100度按水银的体积膨胀距离分为100份，每一份为1华氏度，记作1℉。按照华氏温标，水的冰点为32℉，沸点为212℉。

摄氏度是目前世界上使用最为广泛的一种温标，它是18世纪瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius）提出来的。在1标准大气压下，他把水的沸点定为100度，水的凝固点定为0度，其间分成100等分，1等分为1度。但是，在实际使用过程中，人们感到非常不方便。于是摄尔维斯第二年就把该温度表的刻度值颠倒过来使用。这种温度表称为摄氏温标，又称为百分温标。后来人们为了纪念安德斯·摄尔修斯，就用其名字的第一个字母“C”来表示。

目前有哪些种类的温度计？

温度计是测温仪器的总称。根据所选用测温物质的不同和测温范围的不同，温度计可以分为煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等等。

根据不同的使用目的，目前已经设计制造出很多种温度计。其设计原理是不尽相同的，比如：利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩的现象；在定容条件下，气体（或蒸气）的压强因不同温度而变化；热电效应的作用；电阻随温度的变化而变化；热辐射的影响等。

一般来说，只要一种物质的某一种物理属性能随温度的改变而发生单调的、显著的变化，就可用来标志温度而制成温度计。

温度计是谁发明的？

1593年，意大利著名科学家伽利略发明了最早的温度计。他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大小的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插进水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。因为温度计有热胀冷缩的性质，这种温度计受外界大气压强等环境因素的影响很大，因此其测量误差也就比较大。

后来，伽利略的学生和其他科学家在伽利略的基础上又进行了反复实验和改进，比如把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭起来等。值得一提的是法国科学家布利奥在1659年制造的温度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这种温度计已经具备了现在温度计的雏形。后来，荷兰物理学家华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银作为测量物质，制造了更加精确的温度计。他观察了水的沸腾温度、水和冰混合时的温度、盐水和冰混合时的温度，并进行了反复的实验，最后把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0℉，把纯水凝固时的温度定为32℉，把标准大气压下水沸腾的温度定为212℉。用℉代表华氏温度，这就是华氏温度计。

在华氏温度计出现的同时，法国物理学家列缪尔也设计制造出一种温度计。他认为水银的膨胀系数太小，不适合做测温物质。他专心研究用酒精作为测温物质的优点。经过反复实践他发现，含有1/5水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之间，其体积的膨胀是从1000个体积单位增大到1080个体积单位，因此他把冰点和沸点之间分成80份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。

1742年，瑞典天文学家摄尔修斯改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为100度，把水的冰点定为0度。后来他的同事施勒默尔又把两个温度点的数值倒过来，就成了现在的百分温度，即摄氏温度，用℃表示。

目前英、美等英语国家多使用华氏温度，德国多使用列氏温度，而包括我国、法国在内的大多数国家以及世界科技界和工农业生产中则多使用摄氏温度。

如何正确使用温度计测量体温？

测量体温时需要注意以下几点：

（1）在测量体温前要检查一下体温计有无破损，甩表时不能触及硬物，否则容易破碎。

（2）如果有吃饭、喝水、运动出汗等情况，必须休息半小时以后才能测体温，以免造成测量结果偏差过大。

（3）精神异常、昏迷、婴幼儿、口腔疾患、口鼻腔手术、呼吸困难、不能合作者，不能采用口表测温，以免咬断体温表发生危险事故。

（4）直肠疾病或手术后、腹泻、心梗患者不适宜从直肠测温，热水坐浴、灌肠后，必须等30分钟以后才能进行直肠测温。

测量体温的常用方法有：

（1）口测法：将消过毒的体温计置于舌下，紧闭口唇，用鼻呼吸，放置5分钟后取出读数。正常值为36.3℃~37.2℃。这种方法测体温比较可靠，但对婴幼儿或神志不清者不能使用。

（2）肛测法：受测者取侧卧位，将肛门温度计头涂以润滑剂，缓缓插入肛门，深达体温计长度的一半为宜，放置5分钟后取出读数。正常值为36.5℃~37.7℃。这种方法多用于小儿或神志不清的病人，必须由医护人员执行。

（3）腋测法：将腋窝汗液擦干，把体温计置于腋窝深处，用上臂将体温计夹紧，放置10分钟后取出读数。正常值为36℃~37℃。这种方法比较安全方便，且不易发生交叉感染，应用也最为广泛。

物质只有三种状态吗？

自然界的各种物质都是由大量微观粒子构成的。当大量微观粒子在一定的压强和温度作用下相互聚集为一种稳定的状态时，就称为物质的一种状态，简称为物态。

19世纪，人们还只能根据物质的宏观特征来区分物质的状态，那时人们只知道有三种状态，即固态、液态和气态。

让气体处于高温状态下，当其原子达到几千乃至上万摄氏度时，电子就会被原子“甩”掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，这种状态叫做等离子态。我们经常看到的闪电、流星以及点燃时的荧光灯等，都是处于等离子态。我们可以利用它放出大量能量产生的高温，切割金属、制造半导体元件、进行特殊的化学反应等。

如果物质处于极高的压力作用下，例如压强超过大气压的140万倍，组成物质的所有原子的电子壳层就会被“挤破”，电子就变为“公有”，原子就会失去它原来的化学特征。这些“光身”的原子核在高压作用下会紧密地堆积起来，成为密度极大的(大约是水的密度的3万~6.5万倍)状态，称为超固态。

有时把等离子态叫做物质的第四态，把超固态叫做物质的第五种状态。

进一步从物质的内部结构分析，物态就远远不止这几种了.例如，在固体物质里，有的其内部微观粒子呈周期性、对称性的规则排列，称为结晶态；还有一些，如玻璃、沥青等，常温下，它们虽然也有固定的形状和体积，不能流动，但其内部结构则更像液体，称为玻璃态(非晶体)；此外，还有一些有机物质，它们既能够流动，又具有某些晶体的光学特性，是介于液态和结晶态之间的状态，称为液晶态。还有很多物质在极低的温度下，会出现电阻消失的现象，称为超导态；在极低的温度下，某些液体的黏滞性会完全消失，称为超流态……不一而足。

总而言之，从物质的内部结构去分析，物态的种类还有很多。随着科技的进一步发展，我们对物质世界的认识将会越来越深入，更多的物态会被我们发现和认识。

有时同一种物质在某种温度和压力作用下，会出现几种不同物态同时存在的现象，例如水处于密闭的容器中，下部分是水而上部分是水蒸气，这是液态与气态共存的情形。另外还有固、气两态共存，固、液两态共存，或固、液、气三态共存的情形。

一般来说，不管是何种物质，在温度、压强等发生变化时，都会呈现不同的物态。研究物态变化对于我们更加深入地了解物质的结构及其性质，对于研制新材料、新物质等，都具有非常重要的现实意义。

溶化、融化、熔化有什么区别？

溶化是指固体溶解，具体来说是指某固态物质，在另一种液态物质中分散成单个分子或离子的扩散过程，即固体溶解在水或其他液体里。例如：把糖放进水里，很快就溶化了；把两块颜料搁进杯子，慢慢在水里溶化了；把一勺味精放到汤里，搅拌几下就溶化了等等。溶化的过程不需要加热，但必须有液体。

溶化在任何温度下都能进行。一般情况下，溶液的温度越高，溶化就越快，溶化的物质也就越多（氢氧化钙例外）。在溶化过程中，有的溶液温度会升高，比如氢氧化钠(NaOH)在水中溶解；有的溶液的温度会降低，比如硝酸钠(NaNO₃)、氯化钠(NaCl)等在水中溶解。

熔化是指金属、石蜡等固体受热变成液体或胶体状态的过程。例如：铁加热到1530℃就会熔化成铁水；激光产生的高温，能熔化金属；块状的沥青倒入大锅，加热后就会熔化；糖块儿在铁锅里加热，慢慢就会熔化等等。

融化特指冰、雪、霜受热后化成水。例如：到了春天，河里的冰就会融化；温暖的阳光能使积雪融化；温室效应使得北极冰川逐渐融化等等。

什么是凝固和凝固点？

液体变成固体的过程叫做凝固。液体变成固体必须达到一个特定的温度值，这个温度值即为凝固点。每种液体的凝固点都是不一样的，例如酒精的凝固点是-117.3℃，当温度到－117.3℃以下时，酒精就呈固体；水银的凝固点是-38.87℃；煤油的凝固点低于-30℃；水的凝固点为0℃等等。

凝固是指晶体而言的。同一种晶体，凝固点与压强有关。凝固时体积膨胀的晶体，凝固点随压强的增大而降低；凝固时体积缩小的晶体，凝固点随压强的增大而升高。在凝固过程中，液体会转变成固体，同时会放出热量。非晶体物质是没有凝固点的。

什么是晶体？

究竟什么是晶体？晶体就是晶莹闪亮的物体吗？答案并非这么简单。

众所周知，物质有三种形态，即气体、液体和固体。如果按照内部构造特点分类，固体又可以分为晶体、非晶体和准晶体三大类。

晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。

晶体具备如下几个共性特征：

（1）整齐规则—晶体有整齐规则的几何外形。

（2）熔点固定—晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。

（3）各向异性—晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。

（4）长程有序—指整体性的有序现象。比如在一个单晶体的范围内，质点的有序分布延伸到整个晶格的全部，也就是从整个晶体范围来看，质点的分布都是有序的。晶体中既存在短程有序，又存在长程有序。

（5）均匀性—晶体内部各个部分的宏观性质都是相同的。

（6）对称性—晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。

（7）自限性—晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。

（8）解理性—晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。

（9）最小内能—成型晶体内能最小。

（10）晶面角守恒—属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。

按照晶体内部质点间作用力性质的不同，晶体可以分为离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体等四大典型晶体。同一晶体又有单晶和多晶（或粉晶)的区别，另外还存在混合型晶体。

晶体离我们并不遥远，它就存在于我们的日常生活中，例如我们所吃的盐是氯化钠的结晶；味精是谷氨酸钠的结晶；冬天窗户上的冰花和天上飘下的雪花是水的结晶；每个人身上的牙齿、骨骼属于晶体；工业中的矿物岩石属于晶体；日常见到的各种金属以及合金制品也属于晶体，就连地上的泥土沙石等都属于晶体。我们周围的固体物质中，大部分都属于晶体。但也有一些物体常被我们误认为是晶体，例如玻璃、松香、琥珀、珍珠、松脂、沥青、橡胶、塑料、人造丝等，这些物质都属于非晶体。

晶体与非晶体有什么区别？

非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。非晶体没有一定规则的外形，如玻璃、松香、石蜡等。它的物理性质在各个方向上都是一样的，称为“各向同性”。晶体也没有固定的熔点，因此有人形象地把非晶体称为“过冷液体”或“流动性很小的液体”。

在物理学中，晶体与非晶体是一对相对的概念，有必要将二者区分开来：

（1）晶体一般都具有规则的几何外形，例如，食盐晶体是立方体、冰雪晶体为六角形等；而非晶体是外形无规则形状的固体，如玻璃等。

（2）晶体之所以有规则的外形，是因为组成晶体的物质微粒按照一定的规律在空间排成整齐的行列，构成所谓的空间点阵，空间点阵排列成不同的形状，就在宏观上呈现为晶体不同的独特几何形状，例如，实验观察到的食盐晶体是由钠离子和氯离子等距离交错排列构成的；非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列，例如同液体内的分子排列一样，形不成空间点阵，所以表现为各向同性。

（3）晶体具有各向异性的特性，例如，在云母片上涂上一层薄薄的石蜡，然后用炽热的钢针去接触云母片的反面，我们会发现：石蜡沿着以接触点为中心，向四周熔化成椭圆形，这表明云母晶体在各方向上的导热性不同；如果用玻璃板代替云母片重复这个实验，我们会发现：熔化了的石蜡在玻璃板上总成圆形，这说明非晶体的玻璃在各个方向上的导热性相同。

（4）晶体必须达到熔点时才能熔解，不同的晶体具有不同的熔点，并且晶体在熔解过程中温度始终保持不变；非晶体在熔解过程中，没有明确的熔点，随着温度升高，非晶体物质首先变软，然后逐渐由稠变稀，最后熔化为液体。

影响蒸发快慢的因素有哪些？

蒸发是指液体在任何温度下发生在液体表面的一种缓慢的汽化现象。气象上则是指液体变成气体的过程。

对同一种液体来说，影响蒸发快慢的因素主要有三个，即液体温度的高低、液体与气体间接触的表面积大小以及液体表面上空气流动的快慢。具体如下介绍：

（1）与温度高低有关。温度越高，蒸发就越快。无论是什么温度，液体中总有一些速度很大的分子能够飞出液面而成为汽分子，因此液体在任何温度下都能蒸发。如果液体的温度升高，分子的平均动能就会增大，从液面飞出去的分子数量就会增多，因此液体的温度越高，蒸发得也就越快。

（2）与液面面积大小有关。如果液体表面面积增大，处于液体表面附近的分子数量就会增加，在相同的时间里，从液面飞出的分子数量也就增多，因此液面面积增大，蒸发也就加快。

（3）与空气流动有关。当飞入空气里的汽分子和空气分子或其他汽分子发生碰撞时，汽分子就有可能被碰回到液体中来。如果液面空气流动大，通风好，汽分子重新回到液体的概率就会减小，因此蒸发也就越快。

在同样的条件下，不同液体蒸发的快慢也不相同，这是由于液体分子之间内聚力大小不同造成的，例如，水银分子之间的内聚力很大，只有极少数动能足够大的分子才能从液面逸出，所以水银的蒸发速度就非常慢；液体乙醚，由于分子之间的内聚力很小，能够逸出液面的分子数量比较多，所以蒸发得就相对快一些。

热学篇(下)

什么是汽化？

汽化是指物质由液态转变为气态的变化过程。

液体中分子的平均距离比气体中要小很多。汽化的时候，其分子平均距离加大、体积急剧增大，需要克服分子间引力并反抗大气压力而作功。因此，汽化需要吸收热量。

汽化分为蒸发和沸腾两种形式。在物理学上，把只发生在物体表面的汽化现象叫做蒸发，蒸发在任何情况下都能发生，液体蒸发时需要吸收热量。沸腾是在同一温度下液体表面和内部同时进行的剧烈汽化过程，液体沸腾同样需要吸收热量。每种液体必须达到一定的温度值，并且要继续吸收热量才会沸腾。液体沸腾时的温度叫做沸点。在标准的大气压下，水的沸点为100℃。

蒸发和沸腾有什么区别？

液体在任何温度下都能发生的，并且只发生在液体表面的汽化现象叫蒸发；在一定温度下，在液体内部和表面同时进行的剧烈的汽化现象叫沸腾。

通过蒸发与沸腾的定义，我们可以看出二者之间的区别与联系。

二者的联系在于：

（1）它们都是液体汽化的方式，即同属于汽化现象。

（2）液体在蒸发和沸腾的过程中，都需要吸收热量。

二者的区别在于：

（1）温度条件不同—蒸发是液体在任何温度下都能发生的汽化现象；而沸腾是液体在一定温度下，即必须达到沸点，并继续加热，才能发生的汽化现象。

（2）发生的地点不同—蒸发是只发生在液体表面的缓慢的汽化现象；而沸腾是在液体表面和内部同时发生的剧烈的汽化现象。

（3）温度变化可能不同—蒸发时液体温度会下降；而沸腾过程中液体温度始终保持不变（在液体表面上压强不改变的前提下）。

（4）影响因素不同—影响蒸发速度的因素主要有液体的表面积、液体的温度、液体表面附近的空气流速；而影响沸腾速度的因素主要有液体的体积、液体的纯净程度、液体原来的温度、液体的沸点以及大气压的高低等。

（5）剧烈程度不同—蒸发比较缓和，比如蒸发时无气泡产生；而沸腾十分剧烈，比如沸腾时有气泡产生。

（6）蒸发的微观本质—由于分子的热运动，使液体表面的分子离开液体，进入空气中；而沸腾的微观本质是由于汽化剧烈产生了气泡，不只是液体表面的分子要离开液体，液体内部气泡壁上的分子也要离开液体，进入到空气中。因此，沸腾现象中包含了蒸发现象，但蒸发现象却不包括沸腾现象。

什么是液化？

液化是指物质由气态转变为液态的过程。

汽化是液化的逆过程，液化时需要放热，会使周围空气的温度升高。

液化主要有2种方式：降低温度和压缩体积。任何气体在温度降到足够低的时候都可以液化。在一定温度下，压缩气体的体积也可以使某些气体液化，但第二种方法并不适用于所有气体。在实际生活中也可以兼采两种方法实现气体的液化。例如：家用液化石油气就是在常温下利用压缩气体体积的方法使其液化，并储存在钢罐里的，液体打火机也是同样的道理；而火箭上的液态燃料和氧化剂则是同时采用了两种方法获得的，即在相当低的温度下利用压缩气体体积的方法获得的。

日常生活中常见的液化现象有很多，比如雾、露、雨的形成，其过程是这样的：水蒸气与热空气一起上升，在高空中遇冷时，水蒸气就凝结成雨；冬天嘴里呼出的白气，其过程是这样的：我们嘴里呼出的水蒸气遇冷，从而液化成小水滴。

什么是升华？

升华是指固态物质不经过液态而直接转化为气态的现象。有些物质（如氧）在固态时就有较高的蒸气压，因此受热后不经熔化就可以直接变为水蒸气，冷凝时又直接变为冰。

固体物质的蒸气压与外压相等时的温度，叫做该物质的升华点。当温度到达升华点时，不仅在晶体表面，而且在其内部也会发生升华，并且作用非常剧烈，很容易将杂质一并带入到升华产物中去。为了使升华只发生在固体表面，通常总是在低于升华点的温度下进行，此时固体的蒸气压低于内压。

人类很早就认识了升华现象。我国早在西晋时期，葛洪就在其著作《抱朴子内篇》中记述道：“取雌黄、雄黄烧下，其中铜铸以为器复之……百日此器皆生赤乳，长数分。”这段话描述的就是三硫化二砷和四硫化四砷的升华现象。明朝时期，李时珍著有《本草纲目》，其中记载着将水银、白矾、食盐的混合物加热升华制成轻粉（氯化亚汞）的方法。

除了常压升华之外，还可以采取真空升华和低温升华的方法。

真空升华：由于升华与固体蒸气压和外压的相对大小有关，因此降低外压可以降低升华温度。在常压下不能升华或升华很慢的物质就可以采用真空升华。真空升华还可以防止被升华的物质因温度过高而分解或在升华时被氧化，例如金属镁和钐、三氯化钛、苯甲酸、糖精等都可以运用这种方法提纯。

低温升华：1976年，J·W·米切尔就提出了低温升华的技术，即把温度和压力维持在升华物质的三相点以下，使它在很低的压力（几毫米汞柱）下升华，经冷凝后捕集在冷阱中而与杂质分离。这种方法操作简单，产品纯度很高，例如很难用一般方法提纯成高纯试剂的过氧化氢，如果运用这种方法提纯，一次就可以将钴、铬、铜、铁、锰、镍等杂质从1000纳克/毫升降至0.4~2纳克/毫升。

为什么说“开水不响，响水不开”？

在日常生活中，我们应该都有这样的体会：用水壶烧水时，水会发出响声，但这声音有大小两种，一种是沸腾以前，水发出非常连续的响声，音调很高；另一种是沸腾时，水发出“噗噜、噗噜”可辨的断续响声，音调远没有前者的高，这就是俗话常说的“开水不响，响水不开”。那么，这是什么原因呢？

水壶盛水之前，壶壁上吸附着一层空气，加水以后，这层空气就变成了无数微小的气泡。由于吸附力大于气泡受到的浮力，所以水并不能使它们脱离壶壁。当加热水温升高时，气泡周围的水在气泡内蒸发，使气泡体积逐渐增大，当温度达到七八十摄氏度时，变大的气泡受到的浮力超过了吸附力，它们就会离开壶壁纷纷上升，同时在壶壁上仍会留下一部分空气，这部分空气会以更快的速度增大体积而上升。上升的气泡遇到周围的凉水，气泡里的水蒸气就会液化，使气泡迅速变小或破裂。由于无数气泡在壶底急剧膨胀，又在上升中迅速变小，壶里的水就处于激烈的振动状态，进而又引起了空气的振动，因此就形成了响声。

因为气泡体积大小交替变化非常快，使水的振动频率高，水声的音调也就高。后来，由于壶里各处的水温差越来越小，气泡体积大小的交替变化也就随之越来越慢，进而引起水声的音调逐渐变低。当水到达沸点沸腾时，气泡在水面上破裂，引起了水面大幅度的翻腾，由此而引起的空气振动频率远远不如前者的高，水声的音调也就自然低了很多。

露、霜、雾、云、雨及雪都是怎么形成的？

在夜间，地面上的草、木、石块等物体由于向外辐射热量，它们的温度会降低，当温度降至露点温度（露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度）时，地面物体附近空气中的水蒸气便达到饱和。如果露点温度高于0℃，水蒸气就会在地面物体的表面上凝结成小水滴，这就是露。如果露点温度低于0℃，水蒸气则要在地面物体的表面上直接凝结成水冰粒，这就是霜。在夜间不仅是地面上物体的温度降到了露点温度以下，就连地面以上稍远处的空气温度也降到了露点，那么空气中的水蒸气就会以尘埃为核心凝结成细小的水滴，这就是雾。

当高空中空气的温度降至露点温度以下，如果露点高于0℃，空气中的水蒸气就会在尘埃上凝结成细小的水滴，这就是云，而凝结成较大的水滴就是雨。如果露点低于0℃，空气中的水蒸气则会在尘埃上直接凝结成雪。

综上所述，我们可以知道露、霜和雾都不是从天而降的，而是地面附近空气中的水蒸气达到饱和时直接凝结生成的。而雨和雪则是从天而降的，即由高空中空气里的水蒸气达到饱和时凝结而成。

冰雹是怎样形成的？

冰雹是从积雨云中降落下来的一种固态降水。

冰雹和雨、雪一样都是从天上的云里降下来的。不过，下冰雹的云是一种发展十分强盛的积雨云，而且只有发展特别旺盛的积雨云才有可能降冰雹。

和各种云一样，积雨云也是由地面附近空气上升凝结形成的。空气从地面上升，在上升过程中气压降低，体积膨胀，如果上升空气和周围没有热量交换，由于膨胀消耗能量，空气温度就会降低，这种温度变化叫做绝热冷却。根据计算，在大气中空气每上升100米，因绝热变化会使温度降低10C左右。在一定温度下，空气中容纳水汽有一个限度，达到这个限度就会“饱和”。温度降低以后，空气中可能容纳的水汽量就会随之降低。因此，原来没有饱和的空气在上升运动中由于绝热冷却可能达到饱和，空气达到饱和以后，过剩的水汽便附着在飘浮于空中的凝结核上，形成水滴。当温度低于0℃时，过剩的水汽便会凝华成细小的冰晶。这些水滴和冰晶聚集在一起，飘浮于空中便成了云。

大气中有各种形式的空气运动，从而形成了不同形态的云。由于对流运动而形成的云有淡积云、浓积云和积雨云等。人们把它们统称为积状云。它们都是一块块孤立向上发展的云块，因为在对流运动中有上升运动和下沉运动，往往在上升气流区形成了云块，而在下沉气流区就成了云的间隙，所以有时可以见到蓝天。

积状云因为对流强弱不同形成各种不同云状，它们的云体大小悬殊很大。如果云内对流运动很弱，上升气流达不到凝结高度，就不会形成云，只有干对流；如果对流较强，可以发展形成浓积云，浓积云的顶部就像是椰菜，由很多轮廓清晰的凸起云泡构成，云层厚度可达4~5千米。如果对流运动非常猛烈，就可以形成积雨云，云底黑沉，云顶发展很高，可达10千米左右，云顶边缘变得模糊起来，还常常扩展开来，形成砧状。一般情况下积雨云可能产生雷阵雨，只有发展特别强盛的积雨云，云体十分高大，云中有强烈的上升气体，云内有充沛的水分，才会产生冰雹，这种云通常也被称为冰雹云。

冰雹云是由水滴、冰晶和雪花组成的，一般分为3层：最下面一层温度在0℃以上，由水滴组成；中间温度为0℃~-20℃，由过冷却水滴、冰晶和雪花组成；最上面一层温度在-20℃以下，基本上由冰晶和雪花组成。

在冰雹云中气流很强盛的，通常在云的前进方向，会有一股非常强大的上升气流从云底进入后又从云的上部流出，还有一股下沉气流从云后方中层流入，从云底流出。这里也就是通常出现冰雹的降水区。这两股有组织上升和下沉气流与环境气流连通，所以一般强雹云中气流结构比较持续。强烈的上升气流不但给雹云输送了充分的水汽，而且支撑冰雹粒子停留在云中。最后，当上升气流支撑不住冰雹时，它就会从云中落下来，成为我们所看到的冰雹了。

为什么棉被能起到保暖的作用？

一提到棉被，我们马上会想到把它盖在身上，它具有很好的保暖功能。那么，这是什么原因呢？

这里面蕴含着一个物理道理：棉花本身就是热的不良导体，另外棉絮之间含有大量的空气，不流动的空气也是热的不良导体，二者合在一起就会使棉被具有特别好的保暖效果。这两者中被棉絮加在中间的空间起的作用最大。

试想一下：如果一个棉被没有多少弹性了，非常塌实，那么冬天盖着它就不会暖和了；如果在太阳光下晒一段时间，它就会蓬松起来，保暖效果就好得多，这是因为在阳光照射下，很多棉絮重新膨胀起来，里面又进了很多空气。

为什么说穿得越多不一定越暖和？

寒冷的冬天，有很多人喜欢穿得鼓鼓囊囊，以为穿得越多就越暖和，其实这是一种片面的认识，你知道这是为什么吗？

寒冷的冬季，外界温度很低，皮肤表面会辐射出大量的热，通过体表空气对流，身体就会发冷，如果穿上棉衣，就会立刻感到暖和。这并不是因为棉衣可以产生热量，而是由于棉衣内部的棉絮或其他絮状物（如丝绵、合成羊毛等）使身体热量不易向外散发，阻挡了外界冷空气与体表热空气的对流，因此肌肤和衣服之间就形成了温暖的小气候空间。适宜的衣服小气候有助于调节体温、维持健康。

衣服的保暖程度和衣服内空气层的厚度有关系。有很多人喜欢穿弹力衣服，衣服和身体紧贴，空气层的厚度几乎为零，因此保暖性也最差。当一件一件衣服穿上以后，空气层厚度随之增加，保暖性也就随之增大。但当空气层总厚度超过15毫米时，衣服内的空气对流就会明显加大，保暖性反而会下降，鼓鼓囊囊穿得太多也就不一定保暖。因此，冬季穿衣服要有一定的件数和适宜的厚度。羽绒服有一定的厚度，羊毛织物的气孔不是直通的，都能给人带来适宜的衣服小气候。皮类服装几乎可以阻绝衣服内外空气的对流，因而保暖效果更佳。

“水缸出汗，不用挑担”蕴含着怎样的物理学道理？

水缸里的水因为蒸发，水面以下部分温度比空气温度低，空气里的水蒸气遇到温度较低的外表面会产生液化现象，水珠就会附在水缸外面。晴天时因为空气里的水蒸气含量少，虽然也会在水缸外表面液化，但少量的液化很快就蒸发了，不能形成水珠。而如果空气潮湿，水蒸发就会很慢，水缸外表面的液化大于汽化，水缸外表面就会出现很多水珠。空气里的水蒸气含量大，降雨的可能性就大，自然就不需要挑水浇地了。

“十雾九晴”蕴含着怎样的物理学道理？

到了初冬时节，我们经常会看到这样的现象：如果早晨有雾，当天一般都会是晴天，这就是我们常说的“十雾九晴”。

“十雾九晴”是指深秋、冬季和初春的时候，大雾多发生于晴天。那么雾和晴天有没有关系呢？有怎样的关系呢？

雾是指在气温下降时，在接近地面的空气里，水蒸气凝结成的悬浮的微小水滴或冰晶。根据其成因不同，雾一般分为4种：

（1）辐射雾。晴朗、无风或微风的夜晚，地面辐射热冷却使贴近地面空气层中的水汽凝结而成的雾即为辐射。这种雾在日出前最浓，日出后随着地面气温的升高而逐渐消散或上升为层云，其厚度一般为100~200米，最薄的时候只有2~3米。

（2）平流雾。当暖空气流移动到冷海（地）面上时，就会降温而凝结成雾，这种雾称为平流雾。

（3）蒸发雾。冷空气移动较暖水面上，水面蒸发加快，使水汽达到饱和状态而形成雾。

（4）锋面雾。在两种气团之间的锋面上，因为气团混合的结果而形成的雾，这种雾称为锋面雾，它分为锋前雾、锋际雾和锋后雾三种。锋面雾多出现于地面暖锋前后，随暖锋面一起移动。锋上的降水在锋下冷空气中蒸发，使冷气团达到饱和，凝结而成的雾叫做锋前雾；在冷暖气团交界的锋区，由于冷暖气团混合而形成的雾叫做锋际雾；锋后雾是由于暖空气移到冷地面而形成的雾，与平流雾相似。中国的锋面雾往往形成于江淮地区梅雨季节的暖锋前后，或华南静止锋活动的地区。

很显然，“十雾九晴”中的“雾”指的是“辐射雾”。它的形成是因为晴朗的夜晚，无云或是少云，大气逆辐射较弱，对地面的保温作用较差，地面强烈辐射冷却使得近地面大气层中的水汽遇冷凝结形成雾。同时由于无云、少云，大气对太阳辐射的削弱作用减小，特别是云层的反射作用减弱，直接到达地面的太阳辐射较多，因此当天多半气温较高、天气晴朗。

“热得快”加热器蕴含着怎样的奥秘？

“热得快”是生活中很常用的一种电加热器，可以用来烧开水、热牛奶、煮咖啡等，又省时又方便。

“热得快”的加热螺圈一般是用一种较细的金属管绕制而成的，管内装有电热丝，然后灌入氧化镁粉之类的绝缘材料，把电热丝封装固定在管中间，使它不与管壁接触。电热丝的两端再分别和电源线相接。通电以后，电流从电热丝中流过，电热丝就会发热。如果把“热得快”浸没在液体中，热量就会通过液体很快扩散开来，这样使液体很快被加热，而且也不会烧坏电热丝。假如让“热得快”在空气中干烧，热量则不易散发，金属外管会很快被烤焦，甚至烧红，管内的电热丝就会被烧断。因此，使用“热得快”时应该先将其浸入液体内，液体最少应淹没加热螺圈，然后再接通电源。应该格外注意：手柄及电线不能浸入液体中。加热完毕后，应首先断开电源，等过一段时间以后，即等到“热得快”温度降低后，再把它从液体中取出来，擦干后收藏。

因为“热得快”中的电热丝是用镍铁合金制成的细丝，一般较脆、容易震断。因此，使用和保养“热得快”时不能剧烈震动，如果其表面有水垢或者附着物，可以用小毛刷轻轻刷掉，不能用硬物敲击或用小刀刮削。“热得快”的电热丝一旦断丝便无法修复，只能更换一个新的热得快。

暖水瓶为什么能保温？

热传递方式分为3种：热对流、热传导以及热辐射。热的对流主要发生在液体和气体之间，热流上升，冷流下降，通过不断循环以达到动态平衡。热的传导发生在热的导体上，热从高温的一端向低温的一端传导。热的辐射不需要媒介，它通过辐射的方式向低温处传导。暖水瓶的壶胆和外壳之间是空气，空气属于热的不良导体，热传导降低了很多，壶胆内部光滑如镜，从而降低了热辐射，因此暖水瓶能起到保温的作用。

刚出锅的鸡蛋为什么不烫手？

刚从开水里取出来的熟鸡蛋，如果你用手去碰，会感觉到它并不烫手，这是为什么呢？

原因在于：刚从开水里取出来的鸡蛋表面还沾着水，水分的蒸发使蛋壳温度降低，因此手就不会感到很烫。但是，这只是很短暂的一会儿，等到鸡蛋表面的水分完全蒸发之后，鸡蛋就会变得烫手了。

由此可见，蒸发是降低温度的好方法。当室温比人体的温度高的时侯，人体向外散热主要依靠的就是蒸发的方法。人体每小时可以分泌1升以上的汗液，这些汗液可以带走约580千卡的热量。因此一个人即使待在面包炉里，只要不被直接烫伤也是能待上一会儿的。人体对周围温度的感受和空气的湿度关系很大。冬天，虽然屋子里的温度在25℃左右，脱去衣服仍然会感觉到很冷，这是因为冬天屋子里的空气十分干燥，身上的汗水蒸发得很快；而夏天的空气比较潮湿，身上的汗水蒸发得很慢，所以不会感觉到冷。

熟鸡蛋为什么要在冷水里浸一下才容易剥壳？

鸡蛋是由硬的蛋壳和软的蛋清、蛋黄构成的。在日常生活中，我们一般都有这样的经验：鸡蛋煮熟以后，蛋清和蛋壳粘在一起，不易分离开来。如果我们把煮熟的鸡蛋在冷水里浸泡一下，剥起来就容易得多了，这是什么原因呢？

我们在生活中所接触的物质，除了少数几种以外，一般的物体都具有热胀冷缩的物理特性。但是，不同物质的伸缩程度也是不尽相同的。硬的蛋壳和软的蛋清、蛋黄的伸缩情况也不相同。在温度变化不大或温度变化均匀的时候，看不出什么明显不同。但在高温烧煮时，蛋壳受热快，蛋白传热慢，因此蛋壳膨胀的程度相对大一些。一旦浸入到冷水里，蛋壳就会因为急剧受冷而收缩，这时候，有一部分蛋白就会被蛋壳挤进蛋的空头处。当蛋白因为温度降低而收缩时，由于体积的缩小而使蛋白脱离了与蛋壳的粘连，从而就使蛋壳很容易地被剥掉了。

为什么要“冬不穿白，夏不穿黑”？

人们从生活实践中总结出来这样一条穿衣经验，即“冬不穿白，夏不穿黑”。那么，这里面蕴藏着怎样的科学道理呢？

太阳不但能给人类送来光明，而且还带来了大量的辐射热。对于辐射热来说，黑色对热只能吸收，不能反射，而白色却正好相反。白色能反射所有颜色的光线，因此看起来就是白色的；而黑色的东西却能吸收所有颜色的光线，没有光线反射回来，因此看起来就是黑色。一般来说，深色的东西对太阳光和辐射热吸收多，反射少；而浅色的东西反射多，吸收少。因此，夏季时人们都喜欢穿浅色衣服，比如白色、浅蓝、淡黄等等，这些颜色的衣服能把大量的光线和辐射热反射掉，从而使人感到凉爽；冬季时穿黑色和深蓝色的衣服最好，因为它们能够大量地吸收太阳光和辐射热，从而使人感到暖和。

多孔冻豆腐是怎么来的？

豆腐本来是光滑细嫩的，但是经过冰冻以后，它的样子为什么变得“千疮百孔”，像泡沫塑料一样了呢？

豆腐的内部有很多小孔，这些小孔大小不一，有的互相连通，有的则闭合成一个个小“容器”，这些小孔里都充满了水分。水有一种奇怪的特性，就是在4℃的时候，它的密度最大，体积最小；到了0℃的时候，水就会结成冰，它的体积就会胀大，比常温时水的体积要大10%左右。当豆腐的温度降到0℃以下的时候，其内部的水分就会结成冰，原来的小孔就会被冰撑大，整块豆腐就被挤压成网络形状。等到冰融化成水从豆腐里跑出来以后，就会使豆腐留下数不清的孔洞，豆腐就变成了“千疮百孔”的模样。冻豆腐经过烹调以后，这些孔洞里就会灌进汤汁，所以吃起来不但富有弹性，而且味道也格外鲜美可口。

光学篇(上)

什么是光？

光是人的眼睛可以看见的一种电磁波。从科学的角度定义，光是指所有的电磁波谱。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。光在真空中的传播速度是30万千米/秒，因为光速很快，所以光从太阳到地球仅需要8分钟。

目前，对于可见光的范围还没有一个明确的界限，一般情况下人眼所能接受的光的波长在400~700纳米之间。人们平时所看到的光均来自于太阳或借助于产生光的设备，比如白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。由此我们可以知道，光分为自然光和人造光。自然光如阳光，人造光如灯光。

光在生活中应用非常广泛，比如：光可以作为一种绿色无污染的能源；光可以应用于电子仪器，如电脑、电视、投影仪等；光可以用来通信，如光纤；光可以用于医疗保健，如伽马刀、B超仪、光波房、光波发汗房、X光机等。

光对我们有哪些危害？

在物理学中，表示光的传播方向的直线叫做光线。光线是一种几何的抽象，在实际生活中不可能得到一条光线。

没有光线，世界就没有色彩，我们周围的一切都将是漆黑一片。对于我们人类来说，光和空气、水、食物一样，是时时刻刻都离不开的。眼睛是我们最重要的感觉器官，它对光的适应能力很强，瞳孔可以跟随环境的明暗进行调节。虽然如此，我们必须懂得如何保护自己的眼睛。如果我们长期在弱光下看东西，视力就会受到损伤；强光可以使我们的眼睛瞬时失明，重则造成永久性伤害。因此，我们必须在适宜的光环境下工作、学习和生活。

另一万面，人类的活动可能对周围的光环境造成破坏，就会造成光污染。光污染是一种特殊形式的污染，它包括可见光、激光、红外线和紫外线等造成的污染。其中，可见光污染比较常见的是眩光，例如夜晚在马路边散步时，迎面驶来的汽车的照明灯把我们的眼睛晃得睁不开，这种光污染就是眩光。眩光在一些工矿企业更为常见，比如在烧熔、冶炼以及焊接过程中，极强的光线就是一种非常有害的光污染。如果不采取适当的防护措施，长期从事电焊、冶炼和熔化玻璃等工作的人，眼睛就会受到严重的伤害。

激光是由激光器发出的一种特殊光线，它的颜色单一、笔直、强度极大。由于激光的能量集中，亮度很高，所以比别的光产生的伤害更大。激光的能量如果连续不断地发出，最大功率可以达到几万千瓦，瞬间功率可以达到上万亿千瓦，几秒钟内即可把一块厚厚的钢板打穿。因此，激光常被人称为死光。激光造成的环境污染主要包括两方面：

（1）激光束穿过空气时使很多物质（如尘土）气化，造成大气污染。

（2）激光不仅会伤害眼睛的结膜、虹膜和晶状体，还可能直接危害人体深层组织和神经系统。

目前，激光主要应用于激光工业(切割、打孔等)、测绘、医疗以及科研等领域。

红外线在军事、人造卫星以及工业、农业、卫生科研等方面应用非常广泛。红外线的污染也是不容忽视的。红外线是一种不可见光线，其主要作用是热作用，较强的红外线照射人体，可以造成皮肤伤害，出现和烫伤相似的皮肤烧伤。红外线对人眼同样有伤害，它能伤害眼底视网膜，也可以造成角膜灼伤和虹膜伤害。

紫外线也是一种不可见光线，它在生产、国防及医学等领域都有广泛的应用，例如消毒，杀菌，治疗某些皮肤病和软骨病，用于人造卫星对地面的探测等。紫外线对人体的伤害主要体现在对人眼和皮肤的伤害，长期过量照射紫外线，会使眼睛角膜受到伤害，皮肤出现“光照性皮炎”，严重时会使皮肤脱皮坏死，更甚者可能引起皮肤癌变。

什么是光的反射？

所谓光的反射，是指光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。

光的反射有其特定的规律，即光的反射定律，主要包括以下几个方面：

（1）在反射现象中，反射光线、入射光线和法线都在同一个平面内。

（2）反射光线、入射光线分居法线两侧。

（3）反射角等于入射角。

我们可以把光的反射定律简单归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”。关于光的反射定律有一个特殊情况，即光在垂直入射时，入射角和反射角都是零度，法线、入射光线、反射光线合为一条线，可以简单归结为：“两角零度，三线合一”。

光源分为哪几类？

自身正在发光，并且能持续发光的物体叫做光源。

在物理学中，光源可以分为2大类，即天然光源和人造光源。天然光源如太阳、火焰、闪电、萤火虫等；人造光源如点燃的蜡烛、发光的电灯、激光束等。

但是有些物体很容易被我们误认为是光源，比如月亮，它本身并不发光，而是反射太阳的光，所以月亮不是光源。还有一点，人造光源必须是正在发光的物体，比如点燃的蜡烛是光源，但熄灭的蜡烛就不是光源了。

从发光原理来讲，光源又可以分为以下4大类：

（1）热效应产生的光。太阳光就是最好的例子，此外蜡烛等物品也都一样，这类光会随着温度的变化而改变颜色。

（2）原子发光。比如荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光，霓虹灯的原理也是如此。原子发光具有独自的基本色彩，所以彩色拍摄时我们需要进行相应的补正。

（3）synchrotron（同步加速器）发光。这种发光方式会同时携带强大的能量，原子炉发的光就属于这种，但是我们在日常生活中几乎没有机会接触到这种光。

（4）动物发光。比如萤火虫、某些海洋生物本身可以发光等。

哪些现象说明光是沿直线传播的？

光在同种均介质中沿直线传播，通常简称为光的直线传播。利用它可以简明地解决成像问题。人眼就是根据光的直线传播来确定物体或像的位置的。

有很多现象可以说明光是沿直线传播的，比如激光准直，影子的形成，月食、日食的形成，小孔成像等。

通过对光的长期观察，人们发现了沿着密林树叶间隙射到地面的光线形成射线状的光束，从窗户缝隙进入屋里的阳光也是如此。大量的观察事实使人们认识到光是沿直线传播的。

为了证明光沿直线传播的这一性质，早在二千四五百年前，我国杰出的科学家墨翟和他的学生就作了世界上第一个小孔成倒像的实验，解释了小孔成倒像的原理。尽管他讲的并不是成像而是成影，但是道理是一样的。

实验过程是这样的：在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。为什么会出现这种奇怪的现象呢？墨翟解释说，光穿过小孔就如同射箭一样，是直线行进的，人的头部遮住了上面的光，成影在下边，人的足部遮住了下面的光，成影在上边，于是就形成了倒立的影。这是对光沿直线传播的第一次科学解释。

墨家还利用光的直线传播这一特性，解释了物和影的关系。飞翔着的小鸟，它的影子也仿佛在飞动着。墨家分析了光、鸟、影的关系，揭开了影子自身并不直接参加运动的秘密。墨家指出：鸟的影子是由于直线行进的光线照在鸟身上被鸟遮住而形成的。当鸟在飞动时，前一瞬间光被遮住出现影子的地方，后一瞬间就被光所照射，影子就消失了；新出现的影子是后一瞬间光被遮住而形成的，已经不是前一瞬间的影子。因此，墨家得到了“景不徙”的结论，在古代“景”通“影”，意思就是说，影子不直接参加运动。那么为什么影子看起来是运动着的呢？这是由于鸟飞动的时候，前后瞬间影子是连续不断地更新着，并且变动着位置，看起来就觉得影子是随着鸟在飞动一样。

光沿直线传播的性质，在我国古代天文历法中得到了广泛的应用。比如我们的祖先制造了圭表和日晷，测量日影的长短和方位，以确定时间、冬至点、夏至点；在天文仪器上安装窥管，以观察天象、测量恒星的位置等。

另外，我国很早就利用光的这一性质，发明了皮影戏。汉朝初期，齐少翁曾用纸剪的人、物在白幕后表演，并且用光照射，人、物的影像就会映在白幕上，幕外的人就可以看到影像的表演。这就是最初的皮影戏。

什么是镜面反射和漫反射？

一束平行光射到平面镜上，反射光是平行的，这种反射叫做镜面反射。在实际生活中，镜面反射是指物体的反射面是光滑的，光线平行反射，比如镜子、水面等。

当一束光射到表面凸凹不平、粗糙的物体时，它的反射光线是射向不同方向的，所以我们才能从不同的角度看到同一个物体。如果生活中都是镜面反射的话，那么我们只能站在某一特定的地方才能看得到物体。

镜面反射的反射波（电磁波、声波、水波）有确定方向，镜面反射的反射角与入射角相等，并且入射波、反射波及平面法线同处于一个平面内。摄影时应该避免镜面反射光线进入摄影机镜头，由于镜面反射光线极强，在相片上会形成一片白色亮点，影响景物本身在相片上的显现。

当一束平行的入射光线射到表面粗糙的物体时，粗糙的表面会把光线向着四面八方反射，入射线虽然互相平行，但由于各点的法线方向不一致，所以造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这就是“漫反射”或“漫射”。很多物体，如植物、墙壁、衣服等，虽然其表面看起来似乎很平滑，但用放大镜仔细观察，就会发现其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，就会弥漫地射向不同的方向。

平面镜成像具有哪些特点？

反射面是光滑平面的镜子叫做平面镜。在实验中，我们经常用玻璃板来代替平面镜。

平面镜能改变光的传播路线，但并不能改变光束性质，即入射光如果分别是平行光束、汇聚光束、发散光束等光束时，反射后仍然分别是平行光束、汇聚光束、发散光束。

物体在平面镜里成的是虚像，之所以称为虚像，是因为平面镜所成的像没有实际光线通过像点，平面镜中的像是由光的反射光线的延长线的交点形成的。

平面镜成像具有以下特点：

（1）成的像是正立的虚像。

（2）像和物体的大小相等。

（3）像和物体到镜面的距离相等。

（4）像和物体左右相反。

（5）像与物的连线和镜面垂直。

平面镜成像在日常生活中非常常见，比如照镜子就是这样的原理：太阳或者灯光照射到人的身上，被反射到镜面上（注意：这一步是漫反射，不是镜面反射，不属于平面镜成像）；镜面又将光反射到人的眼睛里，因此我们看到了自己在平面镜中的虚像（这一步才是平面镜对光的反射）。

军事上常用于观察敌情的潜望镜也是利用平面镜成像原理制作而成的。

潜望镜是怎样制作成的？

潜望镜是指从海面下伸出海面或从低洼坑道伸出地面，用以窥探海面或地面上活动的装置。潜望镜的构造与普通地上望远镜相同，只是另外加了两个反射镜使物光经两次反射而折向眼中。潜望镜常用于潜水艇、坑道和坦克内用以观察敌情。

处于水下航行状态的潜艇观察海平面和空中情况的唯一手段就是借助潜望镜。多数潜艇都安装有两部潜望镜——一部攻击潜望镜和一部观察潜望镜。前者主要用于发现和瞄准水面目标，后者主要用于观察海空情况和导航观测。潜艇在浮出水面前，艇长必须指挥潜艇在潜望镜深度先用潜望镜对海平面作一次360⁰的观察，只有在确认没有任何威胁的情况下潜艇才能浮出水面。

关于潜望镜是谁发明的，现在已经无法考证了。世界上最早关于潜望镜原理的记载，见于公元前2世纪我国的《淮南万毕术》。书中记载了这样一段话：“取大镜高悬，置水盘于其下，则见四邻矣。”

我国的古代，在一些深山古庙的屋檐下，常常倾斜地挂着一面青铜大镜，如果在庙门以内的地上放一盆水，对正镜子，这就做成了一个最简单的潜望镜，在水中会映出庙门外的羊肠小道及过往的路人。

由此可见，制作潜望镜非常简单：买两块小镜子；用硬纸片做两个直角弯头圆筒，直径比小镜子稍大一些；在纸筒的两直角处各开一个45°的斜口，将两面小镜子镜面相对插入斜口内；用纸条粘好，把两个直角圆筒套在一起。这样，一个简单的潜望镜就制作成功了。握住底筒不动，转动上筒，从底筒就可以看到远处的景物了。

什么是凹面镜？

球面镜分为凸面镜和凹面镜两类。用球面的内侧作反射面的球面镜叫做凹面镜。平行光照在凹面镜上时，通过其反射而聚在镜面前的焦点上。因其反射面为凹面，又具有聚光作用，所以也叫凹镜、会聚镜。

凹面镜的成像规律是这样的：当物距小于焦距时，成正立、放大的虚像，物体离镜面越远，像越大；当物距大于焦距时，成倒立、缩小的实像，物体离镜面越远，像越小。成的实像与物体在同侧；成的虚像与物体在异侧。

凹镜不仅可以使平行光线汇聚于焦点，还能使焦点发出的光线反射成平行光。

凹面镜在实际生活中应用非常广泛，比如：利用凹面镜对光线的会聚作用，人们研究制作成了太阳灶、台灯等；利用过焦点的光线经反射后成为平行于主轴的平行光，人们研究制作成了探照灯、手电筒以及各种机动车的前灯。除此之外，还有太阳能焊接机、医用头灯、反射式望远镜等。

什么是凸面镜？

球面镜分为凸面镜和凹面镜两类。用球面的外侧作反射面的球面镜叫做凸面镜。射向凸面镜的平行光，经凸面镜反射后，发射光线的反向延长线相交于一点，这一点是虚焦点。凸面镜对光线具有发散作用。

凸面镜的成像规律是这样的：成正立、缩小的虚像。

在实际生活中，凸面镜的应用十分广泛，可用于转弯镜、广角镜等，最为常见的就是倒车镜和哈哈镜，利用了对光发散的原理，可以扩大视野，从而更好地注意到后方车辆的情况。

什么是凸透镜和凹透镜？

凸透镜是根据光的折射原理制成的，中间较厚，边缘较薄的透镜。凸透镜又可以分为双凸、平凸和凹凸等形式。凸透镜有会聚光线的作用，所以又称为聚光透镜。

凸透镜的成像规律是这样的：物体放在焦点以外，在凸透镜的另一侧成倒立的实像，实像有缩小、等大、放大三种。物距越小，像距越大，实像越大。物体放在焦点以内，在凸透镜同一侧成正立放大的虚像。物距越大，像距越大，虚像越大。在焦点上时不会成像。在2倍焦距上时会成等大倒立的实像。

在生活中，凸透镜可以用于放大镜、老花眼及远视的人戴的眼镜、摄影机、电影放映机、显微镜、望远镜的透镜等。

凹透镜又称为负球透镜，镜片的中央薄，边缘厚，呈凹形，所以叫做凹透镜。凹透镜对光有发散作用。平行光线通过凹球面透镜发生偏折后，光线发散，成为发散光线，不可能形成实性焦点，沿着散开光线的反向延长线，在投射光线的同一侧交于一点，形成的是一个虚焦点。凹透镜分为双凹、平凹及凸凹透镜三种。

对于薄凹透镜而言，其成像规律是这样的：当物体为实物时，成正立、缩小的虚像，像和物在透镜的同一侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为1倍焦距（指绝对值）以内时，成正立、放大的实像，像和物在透镜的同侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为1倍焦距（指绝对值）时，成像于无穷远；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为1倍焦距以外2倍焦距以内（均指绝对值）时，成倒立、放大的虚像，像和物在透镜的异侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为2倍焦距（指绝对值）时，成与物体同样大小的虚像，像和物在透镜的异侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为2倍焦距以外（指绝对值）时，成倒立、缩小的虚像，像和物在透镜的异侧。

如果是厚的弯月形凹透镜，其成像情况就会比较复杂。当厚度足够大时，凹透镜就相当于一个伽利略望远镜。如果厚度更大，凹透镜还会相当于一个正透镜。

在生活中，凹透镜主要用于制作各种近视眼镜，以矫正近视眼。

凹面镜与凸透镜有什么不同？

凹面镜与凸面镜主要有以下一些区别：

（1）结构不同。

凸透镜是由两面磨成球面的透明镜体组成的；而凹面镜是由一面是凹面而另一面是不透明的镜体组成的。

（2）对光线的作用不同。

凸透镜主要对光线起折射作用；而凹面镜主要对光线起反射作用。

（3）成像性质不同

凸透镜是折射成像，成的像可以是：正立、放大的虚像，倒立、缩小或等大或放大的实像；凹面镜是反射成像，成的像可以是：正立、放大的虚像，倒立、缩小的实像。

凸透镜是使光线透过使用光线折后成像的仪器，光线遵守折射定律。凹面镜是反射回去成像的仪器，光线遵守反射定律。

凸透镜可以把平行光会聚于焦点，也可以把焦点发出的光线折射成平行光；凹面镜由于是反射成像，不会出现色差，这是任何透镜成像所不能比拟的优势。望远镜的分辨率和物镜的通光口径成正比，而大口径的透镜的制造是极其困难的，如果利用反射原理制造凹面镜则会相对容易得多。

光学篇(下)

什么是光的折射？

当光斜射到水面时，不但会发生反射，同时还会发生折射。光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生偏折，这种现象称为光的折射。

光的折射遵守其特定的规律，即光的折射定律：

（1）折射光线和入射光线分居于法线两侧。

（2）折射光线、入射光线、法线在同一平面内。

（3）当光线从空气射入其他介质时，折射角小于入射角；当光线从其他介质射入空气时，折射角大于入射角。

（4）在相同的条件下，入射角越大，折射角越大。

关于光的折射，还需要了解以下几点：

（1）光线垂直入射时，折射光线、法线和入射光线在同一直线上。

（2）在折射过程中，光的传播速度发生改变。

（3）在光的折射中，光路是可逆的。

（4）不同介质对光的折射本领是不同的，一般情况下，空气＞水＞玻璃。

（5）光从一种透明均匀物质斜射到另一种透明物质中时，折射的程度与后者的折射率有关。

生活中有哪些光的折射现象？

光的折射现象在日常生活中非常常见，介绍如下：

（1）鱼儿在清澈的水里游动，可以看得很清楚。但是，如果你沿着看见鱼的方向去扎它，却扎不到。有经验的渔民都知道，只有瞄准鱼的下方才能把鱼扎到。这是因为光线在水中发生了折射。

（2）由于光的折射，池水看起来比实际的浅。因此，当你站在岸边，看见清澈见底，深不过腰的水时，千万不要冒然下水，以免因为对水深估计不足而发生危险。

（3）把一块厚玻璃放在钢笔的前面，笔杆看起来好像“错位”了，这也是由于光的折射造成的。因为玻璃能将光速减慢35%，当光从空气传播到玻璃中时，其速度会变慢，并改变传播的方向，因此笔杆看起来就像是“错位”了一样。

海市蜃楼是怎么形成的？

在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁等景象。古人认为这是海中蛟龙（即蜃）吐出的气结成的，因此叫做“海市蜃楼”。海市蜃楼经常发生在沿海地带，在沙漠中偶尔也能见到。在这种现象发生时，人们会看到房屋、人、山、森林等景物，并且可以运动，栩栩如生。有人认为那是一种人间仙境。现在，人们通常把“海市蜃楼”说成是大气折射的结果，由于折射的作用，把远处的景物折射到近处来了。到底是不是这么回事呢？

事实上，海市蜃楼是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射造成的。当光线在同一密度的均匀介质中传播的时候，光的速度不变，它会沿着直线的方向前进，但是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时，光的速度就会发生改变，传播的方向也会发生曲折，这种现象叫做折射。当你把一根笔直的筷子倾斜地插入水中时，可以看到筷子在水下部分与它露在水上的部分好像折断了一般，这就是光的折射造成的。当光从光密（即光在此介质中的折射率大）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小）媒质的界面时，就会全部被反射回原媒质内，这种现象叫做光的全反射。

夏天，海面下层空气的温度要比上层低，密度也比上层大，因此折射率也比上层大。我们可以把海面上的空气看成是由折射率不同的很多水平气层组成的。远处的山峰、船舶、楼房等发出的光线射向空中时，由于不断被折射，进入上层空气的入射角不断增大，以致发生全反射，所以光线全部反射回地面，人们逆着光线望去，就会看到远方的景物仿佛悬在空中一样。

在炎热的柏油马路上，同样能看到这种现象。贴近热路面附近的空气层比上层空气的折射率小。从远处物体射向路面的光线，就可能发生全反射，从远处看去，路面显得格外明亮光滑，就像用水淋过一样。

在沙漠里，海市蜃楼的现象也时常发生。白天沙石被太阳晒得滚热，接近沙层的气温升高极快。因为空气不善于传热，所以在无风的时候，空气上下层间的热量交换非常小，于是使下热上冷的气温垂直差异非常明显，并导致下层空气密度反而比上层小的反常现象。在这种情况下，如果前方有一棵树，它生长在比较湿润的地方，这时由树梢倾斜向下投射的光线，因为是由密度大的空气层进入密度小的空气层，就会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时，就发生全反射，光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中去。这样，就把树的影像送到人的眼中，于是远远看去，我们就会看到一棵树的倒影悬挂在高空。

无论是哪一种海市蜃楼，都只能在无风或风力极弱的天气条件下出现。一旦风力增强，引起上下层空气的搅动混合，上下层空气密度的差异就会减小，光线没有什么异常折射和全反射，那么所有的幻景就会立即消失。

实像和虚像的区别是什么？

物体发出的光线经光学系统（如凹面镜、凸透镜、透镜组）反射或折射后，重新会聚而造成的与原物相似（放大或缩小）的图景叫做实像。实像的特点：实际光线的会聚，倒立，异侧，能用光屏承接（呈现），可以显现在屏幕上，所以称为实像。

如果光束是发散的，那么发散光束的反向延长线的交点就是虚像。虚像的特点：不是实际光线的会聚，正立，同侧，不能用光屏承接（呈现），无法显现在屏幕上，所以称为虚像。

实像和虚像的区别主要体现在以下几方面：

（1）成像原理不同—物体射出的光线经光学元件反射或折射后，重新会聚所成的像称为实像，它是实际光线的交点。在凸透镜成像中，所成实像都是倒立的。如果物体发出的光经光学元件反射或折射后发散，则它们反向延长后相交所成的像称为虚像。

（2）承接方式不同—虚像能用眼睛直接观看，但不能用光屏承接；实像既可以用光屏承接，也可以用眼睛直接观看。人看虚像时，仍有光线进入眼睛，但光线并不是来自于虚像，而是被光学元件反射或折射的光线，只是人眼有“光沿直线传播”的经验，以为它们是从虚像发出的。虚像可以因反射形成，也可以因折射形成，如平面镜成等大的虚像，凸透镜成放大的虚像。

（3）成像位置不同—实像在反射成像中，物、像处于镜面同侧；在折射成像中，物、像处于透镜异侧。虚像在反射成像中，物、像处于镜面异侧；在折射成像中，物、像处于透镜同侧。

什么是光的散射？

光的散射是指光在传播时因为与物质中分子（原子）作用而改变其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。当光在物质中传播时，物质中存在的不均匀性（如悬浮微粒、密度起伏）也能引起光的散射。简单一点来说，光的散射就是光向四面八方散开。蓝天、白云、晚霞、彩虹、雾中光的传播等等常见的自然现象中都包含着光的散射现象。

引起光散射的原因在于媒质中存在着其他物质的微粒，或者由于媒质本身密度的不均匀性。

根据光的散射的原因不同，可以将光的散射分为2种类型：

（1）廷德尔散射

廷德尔散射是指颗粒浑浊媒质（颗粒线度和光的波长差不多)的散射。廷德尔散射的光强度和入射光的波长的关系不明显，散射光的波长和入射光的波长相同。

（2）分子散射

分子散射是指光通过纯净媒质时，因为构成该媒质的分子密度涨落而被散射的现象。分子散射的光强度和入射光的波长有关，但散射光的波长仍和入射光相同。

什么叫瑞利散射？

瑞利散射是指入射光在线度小于光波长的微粒上散射后，散射光和入射光波长相同的现象。这种现象是由英国物理学家瑞利提出来的。

瑞利是19世纪最著名的物理学家之一，1842年11月12日出生于英国的莫尔登。瑞利对物理学曾经做出了很大的贡献，他在声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论等方面都做出了不可磨灭的贡献。1904年，他因和拉姆塞同时发现了惰性元素氩（Ar）而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。

1871年，瑞利在经过反复研究、反复计算之后，提出了著名的瑞利散射公式，当光线入射到不均匀的介质中，如乳状液、胶体溶液等，介质会因为折射率不均匀而产生散射光。瑞利的研究表明，即使是均匀介质，由于介质中分子质点不停的热运动，破坏了分子间固定的位置关系，从而也会产生一种分子散射，这就是瑞利散射。

正午时，太阳直射地球表面上，太阳光在穿过大气层时，各种波长的光都会受到空气的散射，其中波长较长的波散射较小，大部分能传播到地面上。而波长较短的蓝、绿光，受到空气散射较强，天空通常呈现蓝色正是由于这些散射光的颜色。

正是因为波长较短的光容易被散射掉，而波长较长的红光不容易被散射掉，它的穿透能力也比波长短的蓝、绿光强，因此生活中常用红光作指示灯，从而让司机在大雾迷漫的天气里也能够看清指示灯，以防止交通事故的发生。

为什么专业相机都是黑色的？

金属机身的相机诞生之初，电镀技术还不成熟，因此当时大部分相机都采取涂黑油漆的简单工艺。随着电镀技术的逐步提高，解决了电镀的成本问题，相机逐渐向镀铬机身转型。虽然很多人都对镀铬机身上的花纹情有独钟，但作为战地摄影报道的专业摄影记者却不喜欢，因为那种光亮的机身很容易被敌人发现而成为被袭击的目标。换句话说，黑色机身是专门为专业摄影者设计的，所以很多发烧友非常钟爱黑色机身。

20世纪80年代前半期，曾一度作为特殊相机而存在的黑色机身逐渐演变成普通相机。当时塑料机身的单反相机已经问世。相机生产厂家对镀铬工艺重新进行了认识，由于电镀外层容易脱落，要解决这个问题就要加大生产成本，因此诞生了塑料机身。另外，镀铬所用的处理液对环境会造成污染。尽管存在这些问题，但无论是专业摄影记者还是发烧友，一直对黑色机身情有独钟，因此，黑色机身自然而然地就成了主要机型。

太阳为什么能发光发热？

我们知道，月球、地球都是坚硬的球体，而太阳却是一个炽热的气体大火球，它的表面温度高达600万℃，中心温度高达1500万℃，任何物质在太阳上都会化成气。月球虽然也有光，但它自身并不能发光，而是反射太阳的光。那么，太阳为什么会发光呢？

太阳的主要成分是氢，它们互相作用，会结合成氦原子核，同时放出光和热，这叫做热核反应。太阳就是一个用原子作燃料的大火炉。1千克的原子燃料相当于30亿千克的煤。太阳的原子燃料非常丰富，几亿年也烧不完，因此太阳将永久地供给我们光和热。

天文学家曾经这样设想过：太阳是一个正在燃烧的大煤球。但是经过仔细计算，像太阳那么大的煤球，如果一直燃烧下来，也只能烧3000多年，而我们人类的历史已经有几十万年，有文字可考的文明史也有5000多年了。太阳的“年龄”不可能比人类历史还短。按照这种设想，太阳这个大煤球早就该烧完了。但实际上，时至今日太阳光度并没有发生什么变化。那么，太阳为什么能源源不断地供给我们光和热呢？

20世纪以来，随着原子物理学的发展，人们才最终解决了太阳能源的问题。著名科学家爱因斯坦发现了物体质量与能量的关系。只要有一点点质量转化为能量，其数值就十分巨大，比如1克物质相对应的能量，就相当于1万吨煤全部燃烧所释放的热量。

太阳的能源是一种原子能。太阳主要由氢组成，氢占其质量的70%以上。在太阳内部高温、高压的条件下，氢原子会发生“热核反应”，由4个氢原子核合成1个氦原子核。在这个反应中，有一部分质量转化为能量，从而释放出大量的热量。太阳内部的热核反应，类似于地面上的氢弹爆炸。正因为在太阳核心区不断地发生着无数的“氢弹爆炸”过程，所以太阳才能源源不断地供应我们光和热。

早晚的天空为什么是红色的？

早晨和傍晚，在日出和日落前后的天边，经常会出现五彩缤纷的彩霞。朝霞和晚霞都是由于空气对光线的散射作用而形成的。当太阳光射入大气层以后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒，就会发生散射。这些大气分子和微粒本身是不会发光的，但因为它们散射了太阳光，从而使每一个大气分子都形成了一个散射光源。根据瑞利散射定律，太阳光谱中波长较短的紫、蓝、青等颜色的光最容易散射出来，而波长较长的红、橙、黄等颜色的光透射能力极强，因此，我们看到晴朗的天空总是呈蔚蓝色，而地平线上空的光线只剩下波长较长的黄、橙、红光了。这些光线经过空气分子和水汽等杂质的散射后，那里的天空就带上了绚丽的色彩。

俗话说：“早霞不出门，晚霞行千里。”意思即是说，早晨出现鲜红的朝霞，说明大气中水滴已经很多，预示着天气可能会转雨。如果出火红色或金黄色的晚霞，则表明西方已经没有云层，阳光才能透射过来形成晚霞，因此预示天气将会转晴。

为什么夜间行车时，车内不宜亮灯？

当晚上乘车或在路边行走时，我们会看到夜晚行驶的汽车，车里的灯总是关闭的。这是为什么呢？因为当车里开灯时，汽车的挡风玻璃就相当于一个平面镜，车里人、物在玻璃的反射下会在车前方形成虚像，由于车里的光线比外面强，所以虚像可能比车前的实际物体或行人还要明显，这很可能使司机看不清或发生混淆，造成判断失误进而造成交通事故。因此，夜间行车的时候，为了保证司机看清路面上的景物，避免交通事故的发生，必须关闭车里的灯。

为什么早晨温度低，中午温度高？

因为早上地球表面有云气，透过云气来看太阳，就显得太阳很大。中午云气消散，就显得太阳很小。实际上太阳的大小并没有变化。根据我们的主观感觉来判断地面距离太阳的远近，其实是一种错误。

据科学家测算，地球和太阳的平均距离为14960万千米。由于在夜里太阳照射到地面上的热度消散了，所以早上会感到很凉快；中午，因为太阳的热度照射到地面上，所以会感到热。这个温度的凉热，并不能说明太阳距离地面的远近。

我们都有这样的体会：看白色图形比看同样大小的黑色图形要显得大一些，这在物理学上叫做“光渗作用”。当太阳刚刚上升时，四周天空是暗沉沉的，因此太阳会显得很明亮，而到了中午，四周天空都很明亮，因此太阳与背衬的亮度差并没有早晨那么悬殊。总之，不管是早晨还是中午，太阳与我们的距离都是一样的，它的大小也是没有变化的，看起来早晨的太阳比中午的大些，只是我们眼睛的错觉而已。

中午时会比早晨热，是因为中午时太阳光是直射在地面上，而早晨太阳光是斜射在地面上。当太阳光直射地面时，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要多，因此中午要比早晨热。

其实，天气的冷热主要决定于空气温度的高低。影响空气温度的主要因素，是由太阳的辐射强度所决定的，但太阳光热并不是使气温升高的直接原因。因为空气直接吸收的太阳热能只是太阳辐射总热能的一小部分，而其余大部分都被地面吸收了。地面吸收了太阳辐射热以后，再通过辐射、对流等热传导方式向上传导给空气，这才是使气温升高的主要原因。

太阳镜为什么能保护眼睛？

不反光的玻璃是由美国科学家凯瑟琳·布洛杰特发明的。这种玻璃在任何光照下都是完全透明的。瑟琳·布洛杰特是纽约通用电器公司声望极高的实验室区接受的第一位女性。当时她才19岁，成为物理化学家、诺贝尔奖获得者欧文·朗谬尔的助手。当时，欧文正在从事分子膜的研究。分子膜是很薄的物质膜层，就像单个分子铺成的“垫”那样。布洛杰特在20世纪30年代末发现，把一种钡的薄膜放在透镜上，可以减少透镜的全反射光。于是不反光的眼镜就诞生了。

太阳镜能遮挡令人不舒服的强光，同时可以保护眼睛免受紫外线的伤害。这一切都要归功于金属粉末过滤装置，它们能在光线射入时对其进行“筛选”。有色眼镜能有选择地吸收组成太阳光线的部分波段，就是由于它含有很细的金属粉末（铁、铜、镍等）。事实上，当光线照到镜片上时，由于所谓“相消干涉”过程，光线就被消减了。换句话说，当某些波长的光线（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，在镜片内侧即朝向眼睛的方向，它们就会相互抵消。形成光波的相互重叠并不是偶然现象：一个波的波峰同其靠近的波的波谷合在一起，就会导致相互抵消。相消干涉现象主要取决于镜片的折射系数，即光线从空气中穿过不同物质时发生偏离的程度，还取决于镜片的厚度。一般来说，如果镜片的厚度变化不大，则镜片的折射系数会因化学成分的差异而不同。

偏振眼镜则提供了另外一种保护眼睛的机理。柏油马路的反射光是比较特殊的偏振光。这种反射光和直接来自太阳的光或者任何人工光源的光的不同之处就在于秩序问题。偏振光是由全朝一个方向震动的波形成的，而一般的光则是由不定向震动的波形成的。一般来说，反射光是一种有秩序的光，偏振镜片对阻挡这种光特别有效，因为它的过滤性在发挥作用。这种镜片只允许朝一定方向震动的偏振波通过，就像把光重新“梳理”了一样。对于道路反光问题，使用偏振眼镜能减少光的透射，因为它不让与道路平行震动的光波通过。事实上，过滤层的长分子被导向水平方向，可以吸收水平偏振光线。这样，大部分的反射光就被消除掉了，而周围环境的整个照明度并不会减少。

对司机而言，变色镜有怎样的作用？

很多汽车司机在开车时常会戴一副黑眼镜。在阳光下或积雪天驾驶汽车的时候，这副黑眼镜能保护眼睛免受强光的刺激。但是，当汽车突然由明处驶向暗处的时候，戴着的黑眼镜反而会变成累赘。这样，司机就要一会儿戴，一会儿摘，反反复复，很不方便。

有什么好办法来解决司机这个苦恼呢？变色眼镜的发明帮助司机们解决了这个难题。在阳光下，它是一副黑墨镜，浓黑的玻璃镜片能遮住耀眼的阳光；在光线柔和的地方，它又变得和普通的眼镜一样，无色透明。那么，变色眼镜的奥秘究竟在哪里呢？

变色眼镜的奥妙全在它的镜片玻璃上。这种特殊的玻璃叫做“光致变色”玻璃。在制造过程中，这种玻璃预先掺进了对光敏感的物质，比如氯化银、溴化银（统称卤化银)等，还有少量的氧化铜催化剂。眼镜片从没有颜色变成浅灰、茶褐色，再从黑眼镜变回到透明眼镜，都是卤化银的功劳。在变色眼镜的玻璃里，有和感光胶片的曝光成像十分相似的变化过程。卤化银见光分解，变成很多黑色的银微粒，均匀地分布在玻璃里，玻璃镜片因此显得暗淡，可以阻挡光线通行，这就是黑眼镜。但是，和感光胶片上的情况不一样，卤化银分解后生成的银原子和卤素原子，仍旧紧紧地挨在一起。当进入稍暗一点的地方，在氧化铜催化剂的作用下，银和卤素重新化合，生成卤化银，玻璃镜片又变得透明起来。卤化银常驻在玻璃里，分解和化合的反应反复不断地进行着。变色眼镜不但能随着光线的强弱变暗变明，还能吸收对眼镜有害的紫外线，所以成为护眼的必备工具之一。