明察秋毫(1)

人的眼睛是感知世界的最为重要的器官,但眼睛的分辩能是有限的。据科学研究,距人眼在25厘米处(明视距离)光线足够好的情况下,人眼能够分清的两点间的最小距离为0.1毫米,如果两点间的距离小于0.1毫米,人眼无法分辩,认为是一个点。

那么,对于更小尺寸,人是如何能够明察秋毫的呢?将微小放大,这是许多物理实验器材的一个原则。设计是很巧妙的、精妙的,不得不惊叹于人的聪明才智。如果能够将这些器材或实验的设计搞清楚,对于物理学习、原理的掌握将大有裨益。

物体是由于振动而产生的,如何才能看清物体是否振动呢?初中物理课本设计的实验是这样的,将一个悬着的乒乓球紧靠正在发声的音叉,你会发现乒乓球会被弹起,这就能证明音叉在振动。这种方法叫“转换法”,通过乒乓球将音叉的振动放大,以便于观察。这只是一个小例子,但蕴含着一条至为重要的原则,那就是“放大”,将微小的变化放大,放大到人的眼睛能够分辩的范围,这样才可以明察秋毫。

物体受力的作用会发生形变,形变程度大,一眼就可以看出,没什么问题,但当形变程度很小时怎么办?比如你用手压桌面,怎么才能看出桌面发生了形变呢?如下图:

一束激光从左侧射入到M反射到N再反射右侧的墙壁上,如果桌面受到一个向下的压力,直接观察桌面,无法看出其是否发生形变,但因为M、N的角度都随着桌面发生微小形变而改变了一点角度,通过两次反射“放大”后,在墙壁上的光斑就有很明显的移动,这就是将微小变化放大的一个例子。

为了探测引力波是否存在,美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台(LIGO)。每个天文台都有两个长达4公里的测量臂,呈L型排列。

具体的工作以我是说不清的,但这两条互相垂直的测量臂在接受到引力波后,会发生形变(为什么要弄四公里长?因为引力波太小了,没有这么大的放大器根本发现不了测量臂是否发生了形变),根据网络资料,测得引力波时这四公里长的测量臂发生的形变为一个原子直径的万分之一。不得不为这种高度精密的仪器点个赞!

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