第66章 偏折的光(1 / 1)

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星期一早晨,积雪已经完全融化,冬日的阳光格外清澈明亮。班的教室里,孟川在讲台上放了一个长方形的水槽,灌满清水,又在旁边摆了一根自制的“鱼叉”——其实就是一根竹竿,前端用铁丝做了个简易的三叉尖头。

“同学们,今天开始我们进入一个新的单元——光学。”孟川在黑板中央写下“第三章 光的折射”。

他拿起那根鱼叉:“在讲抽象概念之前,我们先来看一个具体问题。假设你站在河边,看到水里有条鱼,你想用鱼叉叉它。请问——你应该直接对准看到的鱼叉下去,还是应该偏一点?”

教室里立刻分成两派。

“直接对准!看见在哪就在哪!”一个男生喊道。

“不对,要偏一点!”另一个学生反驳,“我爷爷说过,叉鱼要叉鱼的下方!”

“为什么?”孟川追问。

那个学生挠挠头:“反正经验就是这样说的。”

孟川笑了:“经验很重要,但物理学要问的是——为什么?今天我们就来解开这个‘为什么’。”

他打开投影仪,播放了一段动画:光从空气中进入水中,在交界处突然“拐弯”了。

“这个现象,叫做光的折射。”孟川用激光笔射向水槽,光束在空气和水的交界处确实发生了偏折,“光在不同介质中传播速度不同,从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向会发生改变,这就是折射。”

他在黑板上画出光路图:空气中的入射光线,水中的折射光线,两条线在交界处“断开”,折射角小于入射角。

“回到叉鱼的问题。”孟川重新拿起鱼叉,“鱼在水里,它反射的光线从水中进入空气时发生折射,折射光线进入我们的眼睛。但我们的大脑,总是认为光是直线传播的。”

他在黑板上画出示意图:鱼的实际位置在a点,但经过折射后,我们看到的“像”在b点——在a点的上方。

“所以我们看到的鱼,比实际位置要浅。”孟川总结,“如果你直接对准看到的鱼叉下去,鱼叉会从鱼的上方穿过。正确做法是——对准看到的鱼的下方叉。”

他现场演示:把一个塑料小鱼模型放入水槽,请一个学生上来叉。学生第一次直接对准,叉空了;第二次对准下方,果然叉中了。

教室里响起恍然大悟的声音。

天幕将这一切——动画、实验、原理讲解——清晰地投射到了万朝时空。

春秋时期,泗水河边。

一位老渔夫正带着孙子叉鱼。孙子屡次不中,气恼地扔下鱼叉:“阿翁,这鱼会躲!”

老渔夫正要传授经验——“要叉下面一点”,天幕亮了。

祖孙俩看着孟川的讲解,看着那个光路图,看着学生从失败到成功的过程。

孙子眼睛瞪得滚圆:“阿翁!你看!原来是这样!光会拐弯!”

老渔夫手中的鱼叉微微颤抖。他叉了一辈子鱼,只知道要“叉下面”,从不知道为什么。他以为那是鱼的灵性,是水神的捉弄,是某种说不清道不明的“规矩”。

而现在,一个千年后的先生,用几根线、一束光、一个透明箱子,就把道理讲得明明白白。

“光会拐弯,”老渔夫喃喃重复,“不是因为鱼狡猾,不是因为水有灵,是因为光跑的速度不一样?”

这个认知让他震撼。原来世间万物,都有其“理”。连最平常的叉鱼,背后都有这样精妙的道理。

他对孙子说:“记住,以后不管学什么,都要问‘为什么’。知道了为什么,才是真懂了。”

孙子用力点头,再看水里的鱼时,眼神都不一样了,那不是神秘的生物,是一个可以用“理”来理解的物体。

“折射现象在生活中很常见。”孟川继续拓展,“比如,把筷子斜插进水杯,看起来筷子在水面处‘折断’了。

他做了演示,果然,水中的筷子看起来错位了。

“再比如,游泳池看起来比实际浅。”他展示游泳池的照片,“这也是为什么初学者容易在池边踩空——看着浅,实际深。”

“还有海市蜃楼。”孟川播放沙漠中楼阁倒影的影像,“那是光在密度不同的空气中发生折射,把远处的景物‘搬’到了近处。”

他越讲,学生们越兴奋——原来这么多日常现象,都可以用同一个原理解释!

“所以物理学的美妙就在于,”孟川总结道,“一个简单的原理,可以解释万千现象。从叉鱼到海市蜃楼,从筷子‘折断’到游泳池深度错觉,背后都是同一个‘光折射定律’。”

他在黑板上写下斯涅尔定律的公式,但没要求学生死记,而是说:“公式是工具,理解才是目的。重要的是知道——光从空气斜射入水中时,会向法线方向偏折,所以看到的像比实际物体浅。”

宋,汴京,沈括的梦溪园。

沈括正在研究自己收集的各类水晶、琉璃。他曾注意到,透过这些透明物体看东西,会变形、变色,但一直不明白原因。

他拿来一盆水,将筷子斜插进去。果然,“折断”了。

“原来如此!原来如此!”沈括激动得手都在抖,“不是水有魔力,不是筷子真的断了,是光走偏了!”

他立刻在《梦溪笔谈》中奋笔疾书:

“今观天幕,知光行于不同质中,其速不同,故道亦偏。此理可解诸般异象:水中观鱼,鱼似在浅处;箸置水中,视之若折;池水观之,似浅实深。昔以为怪,今乃知常理也。”

写到这里,他停笔思考:如果光在不同介质中速度不同,那么在真空中呢?在空气中呢?在水中呢?这些速度有没有比例关系?

他想起了孟川写在黑板上的那个公式——虽然看不懂符号,但那应该就是描述这个关系的。

“需实验测之。”沈括自语。他立刻开始设计实验:如何测量光在空气和水中的速度比?也许可以用两个容器,一个空气,一个水,测光通过的时间差。

虽然以宋朝的技术条件,这几乎不可能实现,但至少,他有了方向。这就是科学最宝贵的东西——知道该问什么问题。

课堂进入后半段,孟川开始讲折射的应用。

“理解了折射,我们就可以利用它。”他拿出一副眼镜,“近视眼镜、远视眼镜,都是利用透镜对光的折射,来矫正视力。”

又拿出一个放大镜:“凸透镜聚光,可以点火,可以放大物体。这是折射的另一个应用。”

最让学生们惊叹的,是光导纤维的演示——一束光在弯曲的透明塑料棒中传输,就像水流在管道中流动。

“这是现代通信的基础。”孟川说,“光在光纤中发生全反射,几乎无损耗地传输信息。我们现在用的互联网,很多信号就是这样传递的。”

课堂接近尾声时,孟川抛出一个问题。

“同学们,根据今天学的知识——如果我们站在岸上看水中的鱼,鱼看到的我们,是在实际位置,还是也会有偏差?”

学生们思考起来。

“也会有偏差吧?”物理课代表小周分析,“光从空气到水折射,从水到空气也应该折射。应该是对称的。”

“不对,”另一个学生说,“鱼在水里,我们在空气,介质不同。”

孟川笑了:“这是一个很好的思考题。答案是有偏差,而且偏差的方向相反——我们看到鱼变浅了,鱼看到我们变高了。”

他在黑板上画出示意图,果然,光路是对称的。

“所以,”孟川总结道,“当我们观察世界时,要时刻意识到——我们看到的,不一定是真实的。光会骗我们,眼睛会骗我们,甚至大脑也会骗我们。”

他擦掉部分板书,留下核心:

“物理学教会我们两件事:一是理解世界运行的规律,二是质疑自己看到的现象。前者让我们强大,后者让我们清醒。”

下课铃响起。

孟川最后说:“课后,大家可以做个小实验:拿个透明杯子,放枚硬币在底,慢慢往后退,直到刚好看不见硬币。然后往杯子里倒水——你会发现,硬币‘浮’上来了。这就是折射的魔术。”

万朝天穹下,无数人还在回味。

渔民们第一次明白,为什么叉鱼要叉下面。

工匠们第一次理解,为什么透过水晶看东西会变形。

学者们第一次窥见,光这个最常见又最神秘的东西,原来有如此精确的规律可循。

秦,咸阳宫中的方士们陷入了尴尬。他们曾用“水有灵”、“鱼通神”来解释为什么叉鱼不易中。而现在,一个简单的光学原理,就把他们的神秘主义击得粉碎。

唐,长安的工匠开始尝试制作透镜。虽然磨不出后世那么精密,但至少知道原理后,他们磨制的镜片,比之前凭感觉磨的,确实好用一些。

宋,不止沈括,许多文人开始用折射原理解释诗词中的意象——比如“潭清疑水浅”,原来不只是诗意,是物理事实。

而在更多普通人心中,一颗种子正在发芽:

原来世界是可以理解的。

原来那些祖祖辈辈口耳相传的“经验”,背后都有其“道理”。

原来只要肯观察、肯思考、肯实验,就连光怎么走,都能弄明白。

光幕缓缓消失。

但光还在——在教室里,在阳光下,在每一个思考着“为什么”的人眼中。

而那些被光照亮的眼睛,将会看到更远、更清晰的世界。

因为今天他们学到了最重要的一课:

看见的,不一定是真的。

但真的,一定可以被理解——只要你愿意,把眼光,偏折那么一点点。

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