光的魔术师——玻璃

日期:2012-04-09 22:30 点击数:8895 


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光维持着人们的生活,当这个世界失去了光,相信我们的末日就真的来到了。他似乎为所欲为,可也有那么一种物质,能够把玩光于股掌之间,那就是平常得不能再平常的——玻璃。

早在公元1000多年以前,我们聪明的中华民族就已经制造出了无色玻璃,这也是我们现代生活中最常见的玻璃的一种,每家每户都安装有窗户玻璃。一个三岁小孩都知道,这些玻璃能够透光,可是,这是为什么呢?这貌似一个很愚蠢的问题,但人们不一定都能说出个所以然来。玻璃是一种实实在在存在的固体,可它却在光的掩护下而“隐身”,其实这和我们的眼睛有很大的关系。

玻璃是由一些非常小的晶体组成的,这些晶体是透光的,所以玻璃也就是透光的。我们判断一种物质是否透光,是视我们的眼睛能不能感觉到晶体后面的光线,这个说简单点,也就是这种晶体,它既不吸收任何颜色的光线,也不反射任何颜色的光线。另一方面,物理学上说,不论什么波都是以S型轨道向一个方向运动的,那么不同的波,它振动的频率不同,每振动一次所前进的距离也就不一样。而玻璃中的晶体都有固定的大小,而且按一定的规则排列,对于光波,它的波长、前进路线正好可以绕过玻璃的这种晶体,即这种晶体的宽度跟光振动一次的前进距离差不多长,就像那些玩轮滑的人按蛇形路线绕过一根根桩柱一样。而这些光波最终到达我们人类的眼睛,我们的视网模就可以感觉到光线,以至于我们就认为玻璃是透光的。所以对于玻璃能透光有两个必要条件:一是光波正好绕过了玻璃晶体,二是我们的眼睛感知到了透过来的光。所以玻璃并不是“隐形”的,他只是相对其他物质来说,仁慈的对光“放行”了。

但玻璃的忍耐也是有限度的,它对光也会有阻挡效果,比如当光线较暗时,我们也可以在玻璃上看到自己的倒像。透明玻璃只是一种很简单的玻璃,而把“反射”发挥得淋漓精致的就要算是镜子了。

镜子,也是家庭中常见的一种东西,人类爱美的天性注定就离不开它,在镜子中我们可以看到另一个相反的世界。按照上面的解释,玻璃是能够透光的,但为什么同样由玻璃组成的镜子就能反射光线呢?按照中学的知识我们仅能了解到,这是因为在这种“特殊”的镜子背后,镀了一层银或铝,玻璃对光的反射率较小,而银或铝的反射率就比较高,这使得光能被更好反射,实际上我们在玻璃种看的倒像是背后的物质呈现出来的,但仅仅是如此吗?其实这里面还有更深层次的原因。刚刚说了,光其实是一种电磁波,电磁波在两种介质的交界面处会发生反射与折射,当然,这两种介质都必须能传播电磁波,而空气与玻璃或银铝就属于这种介质。光具有波动性和粒子性,镜子反射体现的是光波的粒子性。玻璃的成分是二氧化硅,由于二氧化硅分子与光子相互作用必须遵守动量守恒与能量守恒,动量守恒使得光子以某一入射角入射时,会形成一个新的子波源,并以相同的反射角反射出来。而被这个光子作用到的分子就会发生向石英内部的运动,但分子的紧密连接使得分子不会运动的太远,很快就把动量传递给了下一个分子。就这样,光子则就顺利的被反射出去。

但在现实生活中,就像著名魔术师刘谦说的,一切不仅就此结束,在透明玻璃与镜子之后,更高级的玻璃——单向玻璃也问世了。

这种玻璃离我们的生活并不远,如某些黑色的车窗,车里面的人可通过它看到外面,可外面的人被其阻止,不能看到里面。这种玻璃将光与人眼之间的特性发挥到了极致。但这又是为什么呢?这位魔术师又在玩什么花样呢?就像它的名字,“单向”玻璃也就是意味着我们只能从玻璃的一面看到另一面,却不能反其道而行之。我们初中就曾学过,光路是可逆的,难道这错了吗?其实并不是,原因就在于玻璃面上涂有很薄的银膜或铝膜,而这样的玻璃并非反射所有的入射光,而是能让部分的入射光通过。而单向玻璃之所以会单边看得见,全依光的强度而定。假如玻璃两边光的强度不同,当你处于光线强的这一边,强光会大部分反射,而对面射过来的弱光会被这些反射的强光混在一起,从而使人感觉这面玻璃就是一面镜子;而当你处于光线弱的这边,会有同样多的光投到另一边,而能反射的光相对而言就少了,所以对面透过来的光在这些反射的光当中就显得很明显,这就使人感觉这玻璃是透明的。这也就是单向玻璃的原理了。

除了以上这些,生活中还有多种多样的玻璃,这其中的奥秘还有很多,这位光的魔术师的手段还多呢!


点评:

该同学对玻璃透光的原理研究的比较透彻,并且具有创新的观点。

指导老师张晓江


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