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剛洗的杯子,怎么一倒熱水就有“油污”跑出來?

發布時間:2024-07-24 05:51:51 來源:上海科技館 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

當你來到一家餐廳用餐,服務員熱情地遞上了一杯熱茶水,你不經意地往茶杯中一瞥,卻發現這杯子中怎么還有“油污”在浮動!

茶杯中交錯的水影是油污嗎?圖源:作者自攝

于是,你暗自懊悔找了一家“不干凈”的餐廳,默默把茶水倒掉重新倒了一杯熱水,“油污”好像真的被倒掉了一樣消失不見了。但是,杯子中交錯的水影真的是油污嗎?

01 交錯的水影

其實,我們能看到的這種交錯的水影,和我們能在水中看清油污是相同的原理,都是由于液體折射率的差異。

清晰的油水分界線 圖源:攝圖網

可是,杯中只有熱水這一種液體,為什么會出現折射率的差異呢?難道這交錯的水影還有“厭冷喜熱”的性質嗎?我們不妨來測試一下。我們使用阿貝折射儀,它可以依據光的全反射原理來測量液體的折射率。同時,搭配恒溫水浴缸來測量不同溫度的去離子水的折射率:

去離子水折射率隨溫度的變化 圖源:參考文獻

實驗結果表明,液體(去離子水)的折射率隨溫度升高而減小。原來,熱水進入杯子后,部分與相對較冷的杯底杯壁接觸的熱水被冷卻,并和周圍仍然高溫的水形成局部對流,這些存在對流和水溫變化顯著的區域折射率變化明顯,就會讓我們感覺仿佛有兩種不同的液體在流動,看到交錯的影子。

冷熱對流圖源:作者自制

同理,其實將冷水倒入熱杯子也會有類似的現象,關鍵就在于杯子和倒入液體之間的溫度差異。

02 海市蜃樓

像這種由于某些物理性質的差異,引起折射率變化,從而產生奇妙光現象的例子并不少見,海市蜃樓就是一個典型的例子,其根本原因是空氣密度的差異。

蜃景分為上現蜃景和下現蜃景。上現蜃景一般出現在海上,是由于下層空氣密度比上層大,空氣折射率自下而上逐漸減小。此時,被物體反射的光線在空氣中的軌跡為向上凸的拋物線,物體的像在原物的上方,有正立的,也有倒立的。

2021年7月深圳大鵬灣海面出現的海市蜃樓現象 圖源:深圳晚報

下現蜃景通常出現在炎熱干燥的沙漠里,下層空氣密度比上層小,空氣折射率自下而上逐漸增大。此時,被物體反射的光線在空氣中的軌跡為向上凹的拋物線,物體的像在原物的下方,且是倒立的。

撒哈拉沙漠的海市蜃樓現象 圖源:美篇

“密度”這一耳熟能詳的物理量與折射率又有什么關系呢?通過測量不同濃度蔗糖溶液的折射率實驗,我們能夠發現:密度較大的蔗糖溶液,折射率更大;而密度較小的蔗糖溶液,折射率也更小。

蔗糖溶液折射率隨蔗糖濃度的變化 圖源:參考文獻

利用這一結論,我們可以模擬海市蜃樓現象:在玻璃缸中倒入一半密度較大的液體(如飽和糖水、飽和食鹽水),利用透明薄膜在上方倒入密度較小的液體(如純水),小心取走透明薄膜,用激光筆從側面照射水體,會觀察到激光光路呈上凸狀,將燃燒的蠟燭置于玻璃缸后可以觀察到上現蜃景。


圖源:bilibili@火花學院

隨著密度較大的溶液逐漸被稀釋,其折射率梯度減小,光線彎折程度也會減小,蜃景也會消失。

03 神奇的左手材料

那么,光為什么會發生折射呢?這個問題早在1662年就由法國科學家皮埃爾·德·費馬做出了解答:光傳播的路徑是光程取極值的路徑,這就是著名的費馬原理。

費馬圖源:百度百科

什么叫“光程取極值的路徑”呢?通俗地講,就是光在兩種介質中所走的路徑,雖不是直線,雖不是路程最短,卻是所用時間最短的路徑

折射光路圖 圖源:作者自制

而在41年前,荷蘭數學家斯涅爾就通過計算發現,當光由第一媒質(折射率為n1)射入第二媒質(折射率n2)時,會在平滑界面上發生折射,且入射角θ1和折射角θ2滿足:

初中我們就學習過,筷子在水中“彎折”是由于光的折射(如下左圖),但我們有沒有可能觀察到右圖的現象呢?

筷子“彎折”了 圖源:作者自制

從光怪陸離的大自然中獲得靈感,科學家們設計合成了具有特殊結構的材料,使得右圖中筷子“反向彎折”的光學現象成為可能,并稱其為“負折射”現象。利用好負折射,許多天方夜譚將變為可能。

我們知道光其實是一種電磁波,在電磁學中,電磁波的電場強度E、磁場強度H以及電磁波的傳播方向k滿足右手定則:用右手的四指指向電場強度E的方向,然后彎曲四指,使得四指經小于180°的角度轉到磁場強度H的方向,此時大拇指的方向就是電磁波的傳播方向k。光在絕大多數大自然的傳播介質中都是滿足右手定則的,這些介質被稱為“右手材料”。

電磁波電場、磁場、傳播方向的關系 圖源:sohu.com

而在1968年,蘇聯物理學家Veselago構想了能讓電磁波以左手定則傳播的特殊介質(材料),他將這種材料稱之為“左手材料”。

蘇聯物理學家Victor·Georgievich·Veselago 圖源:Wikipedia

從光傳播的角度來說,這種材料的折射率為負值,因此左手材料也被稱為“負折射率”材料。

負折射現象 圖源:baijiahao

除此之外,Veselago還預言了左手材料被光照射時,能量會沿著相反方向流動,使得介質的能量減少,故有望成為未來的新型制冷材料。然而,Veselago 的預言未能得到科學界的重視,其研究工作的價值一度被低估,超材料領域的發展進入黑暗期。直到33年后,加州大學圣迭戈分校物理系的Smith等人用以銅為主的復合材料構造出一種介電常數ε和磁導率μ均為負值的特殊結構,并利用這種復合材料觀察到了負折射現象,才證實了左手材料折射率的測量值為負值。

首次人工合成的雙負材料 圖源:網易

人們預測,可見光范圍的左手材料將會有廣泛的應用前景,例如超透鏡(這種透鏡的光損失非常小,可以大大提高顯微鏡的分辨率)和隱身材料(雷達電磁波通過其中會發生彎曲繞過,可完美達到高質量隱身的目的)。

超透鏡 圖源:sohu.com

盡管這種材料還未真正投入生產和應用,但如果能夠實現,就會在光學成像、工程和國防等領域發揮重要的作用。我們相信,在科技飛速發展的現代,人類始終有著化不可能為可能的神奇力量,也許超透鏡與“隱身”的實現就在不久的將來。

參考文獻

[1]吳俊慷,劉博,劉鵬,張建華.液體折射率隨溫度改變的研究[J].大學物理實驗,2014,(5): 32-35

[2]廖昱博,賴昭勝,聶泰,羅源.阿貝折射儀測量溶液濃度研究[J].贛南師范學院學報,2012,(3): 28-30

[3]韋維,彭麒維,劉彩霞,張霆,阮千虓.基于海市蜃樓原理測量溶液的折射率[J].物理實驗,2022,第42卷(5): 30-34

[4]賈秀麗,王曉鷗,周忠祥,孟慶鑫.手性負折射率材料的最新進展[J].中國光學,2015,第8卷(4): 548-556

作者:周文鼎,華東師范大學物理系本科生

策劃&編輯:rain

鳴謝:中國科學院大學博士、高級工程師 郭瑋宏為本文提供科學指導。

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