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简介

光线是迷人的!  它看起来,可以像波浪,又可以像粒子;它可以是红色的,蓝色的或彩虹中的任意颜色;你甚至可以把所有的颜色混合在一起,最后得到白色!它沿直线传播,不过在物体周围仍会稍许弯曲。光线可以通过空气传播,但空气不是必需的。与声波不同,光线可以从遥远的星座、穿过真空,经数百万年后到达地球,或者它也可以通过光纤电缆传输,在不到一秒的时间里,环绕全世界!听起来让你印象深刻吗?可以把光从一个瓶子里,倒在玻璃杯或水槽里吗?这听起来是不是太牵强了?试试这个活动,让奇迹发生吧!

背景

你有没有留意到,当你将手电筒照向某个物体,需要把它照亮的情形?那显示了光线是沿直线传播的。但是,假如我们用镜子或者将一束光射入水中呢?光线会让光滑的表面发光(换言之,从表面反射掉),或者光线穿过介质时会发生弯曲(意思是在表面会发生折射),这些直线看起来像打了个结。(下面“更多探索”部分中列出的几项活动,可以帮助你更好地理解这些现象。)

在本次活动中,你会看到,当光线从水体中射出,到达水面时的情形。光线会从水-空气的交界面,接近垂直地掉头回去;这就是我们把水称作“半透明”的原因。但你知道吗,水也会反射一部分光线?当光线以小角度射到水面上时,水面几乎就像面镜子一样。最初,当光线以小角度到达水-空气交界面时,保持小角度射入边界,会一遍又一遍地发生反射。它几乎不能逃到一个不太稠密的介质中去,比如空气。这就是所谓的全内反射,这就解释了,为何光线在水中传播时,会被困在水中。

第 2 段(可获 2.64 积分)

材料

手电筒
无色、透明空汽水瓶(一升大小效果较好)
铝箔

有水槽或者浴缸的黑暗房间

准备

  • 把手电筒放在透明的空汽水瓶的底座下,要保证手电筒亮起时,光柱能直射到瓶子里面,直达瓶子颈部。
  • 将瓶子和手电筒用铝箔包裹起来。确保手电筒的开/关按钮仍然可以被触碰到。
  • 把瓶子裹到边缘,但要保证瓶口是打开的,这样你才能往里倒入液体。
  • 找到一个可以变黑暗的房间,还要有水槽或浴缸,这样你可以很容易地倒水。
  • 把准备好的瓶子装满水。
第 3 段(可获 1.46 积分)

过程

  • 打开手电筒。过一会,再去关掉房间的灯。你希望看到什么?瓶子会发光吗?只有顶部的开口会亮吗? 你期望光束能照亮房间吗,能在天花板上出现一个光圈?或者没多少光线?
  • 关掉房间的灯,并观察。你的预测是正确的吗?
  • 过一会,再将瓶子里的液体倒入水槽或者浴缸里。你期待能看到什么特别的东西吗?
  • 倾斜瓶子, 让水流呈弧线倒入水槽或者浴缸。(如果需要确定倒水的位置,可以把房间的灯暂时开一下。)观察光线的去向。光线是以直线的方式传播,照亮水槽后面吗 ?它是否随着水柱照亮水槽的底部? 或者什么都没有被照亮?水柱能发光吗,还是在黑暗中几乎看不见它?
  • 当水快被倒光时,观察光束现在水槽或浴缸的投射点。它是在不同的地点吗?为什么?
  • 补充:如果你有一个激光笔,用这个重复这次活动。(但是要注意:绝不能看激光所产生的光,或者让激光从反光材料上反射到你的眼睛里。)在你用激光笔重复操作之前,找出由激光笔产生的光与用手电筒产生的光之间的差异。它们有哪些不同?又有哪些相似呢?这些差异会影响你在这个活动中观察到的现象吗?活动会证实或者会对你的预测作出反驳吗?
  • 补充:光纤是柔性的玻璃纤维。它们被用作在长距离下传输激光脉冲的电缆(携带了信息)。 光线并不能柔顺地随着光纤弯曲, 而是经常在壁面上发生反射。每次,光照射到壁面上,它会被反射回光纤内部。只要你不大幅度弯折纤维,激光会被一直困在电缆中,直到光纤的另一端。你能发现这次活动和光纤电缆之间的相似性吗?你能找到方法,用你的水光束传输信息吗,如果可以,怎么做?
第 4 段(可获 4.8 积分)

观察和结果

你注意到了吗,一开始的时候,天花板上的被照亮的光斑,或者墙壁上瓶子指向的位置?当你将水从瓶子里倒出时,看到光线跟随着水柱一起,感到吃惊吗?

最初,当你拿着汽水瓶的时候,手电筒发出的光线几乎是以垂直角度射向水面的。在这种情况下,光线会很容易地穿过水面,径直向前传播,会在天花板或者墙壁上形成一个光斑。 当你倾斜瓶身,向外倒水时,情况发生了改变。现在,光线以一个小角度射向水面。 在这种情况下,水面会像镜子那样将光线反射回水里。反射后的光线继续往前走,会再次遇到水面,不过会在不同的地点,但同样是小角度入射,还是会被反射回来。一次又一次,光线只能在水柱的边缘处反射。光线被困在水柱里,随水一起流动,直到水流碰到水槽或浴缸时,才被释放出来。 在那里,光线向各个方向进行反射。你就会到一个明亮的光斑。

激光在光缆中的传播方式与此类似,在到达光缆的终端之前,光线不停地在光缆边缘发生反射,直到终端处将信息释放出来。

第 5 段(可获 3 积分)

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