刚洗的杯子,怎么一倒热水就有“油污”跑出来?

撬开科学新世界 2024-07-26 18:04:35

当你来到一家餐厅用餐,服务员热情地递上了一杯热茶水,你不经意地往茶杯中一瞥,却发现这杯子中怎么还有“油污”在浮动!

茶杯中交错的水影是油污吗?|图源:作者自摄

于是,你暗自懊悔找了一家“不干净”的餐厅,默默把茶水倒掉重新倒了一杯热水,“油污”好像真的被倒掉了一样消失不见了。

但是,杯子中交错的水影真的是油污吗?

交错的水影

其实,我们能看到的这种交错的水影,和我们能在水中看清油污是相同的原理,都是由于液体折射率的差异。

清晰的油水分界线|图源:摄图网

可是,杯中只有热水这一种液体,为什么会出现折射率的差异呢?难道这交错的水影还有“厌冷喜热”的性质吗?我们不妨来测试一下。

我们使用阿贝折射仪,它可以依据光的全反射原理来测量液体的折射率。同时,搭配恒温水浴缸来测量不同温度的去离子水的折射率:

去离子水折射率随温度的变化|图源:参考文献

实验结果表明,液体(去离子水)的折射率随温度升高而减小。原来,热水进入杯子后,部分与相对较冷的杯底杯壁接触的热水被冷却,并和周围仍然高温的水形成局部对流,这些存在对流和水温变化显著的区域折射率变化明显,就会让我们感觉仿佛有两种不同的液体在流动,看到交错的影子。

冷热对流|图源:作者自制

同理,其实将冷水倒入热杯子也会有类似的现象,关键就在于杯子和倒入液体之间的温度差异。

海市蜃楼

像这种由于某些物理性质的差异,引起折射率变化,从而产生奇妙光现象的例子并不少见,海市蜃楼就是一个典型的例子,其根本原因是空气密度的差异。

蜃景分为上现蜃景和下现蜃景。上现蜃景一般出现在海上,是由于下层空气密度比上层大,空气折射率自下而上逐渐减小。此时,被物体反射的光线在空气中的轨迹为向上凸的抛物线,物体的像在原物的上方,有正立的,也有倒立的。

2021年7月深圳大鹏湾海面出现的海市蜃楼现象|图源:深圳晚报

下现蜃景通常出现在炎热干燥的沙漠里,下层空气密度比上层小,空气折射率自下而上逐渐增大。此时,被物体反射的光线在空气中的轨迹为向上凹的抛物线,物体的像在原物的下方,且是倒立的。

撒哈拉沙漠的海市蜃楼现象|图源:美篇

“密度”这一耳熟能详的物理量与折射率又有什么关系呢?通过测量不同浓度蔗糖溶液的折射率实验,我们能够发现:密度较大的蔗糖溶液,折射率更大;而密度较小的蔗糖溶液,折射率也更小。

蔗糖溶液折射率随蔗糖浓度的变化|图源:参考文献

利用这一结论,我们可以模拟海市蜃楼现象:

在玻璃缸中倒入一半密度较大的液体(如饱和糖水、饱和食盐水),利用透明薄膜在上方倒入密度较小的液体(如纯水),小心取走透明薄膜,用激光笔从侧面照射水体,会观察到激光光路呈上凸状,将燃烧的蜡烛置于玻璃缸后可以观察到上现蜃景。

图源:bilibili@火花学院

随着密度较大的溶液逐渐被稀释,其折射率梯度减小,光线弯折程度也会减小,蜃景也会消失。

神奇的左手材料

那么,光为什么会发生折射呢?这个问题早在1662年就由法国科学家皮埃尔·德·费马做出了解答:光传播的路径是光程取极值的路径,这就是著名的费马原理。

费马|图源:百度百科

什么叫“光程取极值的路径”呢?通俗地讲,就是光在两种介质中所走的路径,虽不是直线,虽不是路程最短,却是所用时间最短的路径。

折射光路图|图源:作者自制

而在41年前,荷兰数学家斯涅尔就通过计算发现,当光由第一媒质(折射率为n)射入第二媒质(折射率n)时,会在平滑界面上发生折射,且入射角θ和折射角θ满足:

初中我们就学习过,筷子在水中“弯折”是由于光的折射(如下左图),但我们有没有可能观察到右图的现象呢?

筷子“弯折”了|图源:作者自制

从光怪陆离的大自然中获得灵感,科学家们设计合成了具有特殊结构的材料,使得右图中筷子“反向弯折”的光学现象成为可能,并称其为“负折射”现象。利用好负折射,许多天方夜谭将变为可能。

我们知道光其实是一种电磁波,在电磁学中,电磁波的电场强度E、磁场强度H以及电磁波的传播方向k满足右手定则:用右手的四指指向电场强度E的方向,然后弯曲四指,使得四指经小于180°的角度转到磁场强度H的方向,此时大拇指的方向就是电磁波的传播方向k。光在绝大多数大自然的传播介质中都是满足右手定则的,这些介质被称为“右手材料”。

电磁波电场、磁场、传播方向的关系|图源:sohu.com

而在1968年,前苏联物理学家Veselago构想了能让电磁波以左手定则传播的特殊介质(材料),他将这种材料称之为“左手材料”。

前苏联物理学家Victor·Georgievich·Veselago|图源:Wikipedia

从光传播的角度来说,这种材料的折射率为负值,因此左手材料也被称为“负折射率”材料。

负折射现象|图源:baijiahao

除此之外,Veselago还预言了左手材料被光照射时,能量会沿着相反方向流动,使得介质的能量减少,故有望成为未来的新型制冷材料。然而,Veselago 的预言未能得到科学界的重视,其研究工作的价值一度被低估,超材料领域的发展进入黑暗期。

直到33年后,加州大学圣迭戈分校物理系的Smith等人用以铜为主的复合材料构造出一种介电常数ε和磁导率μ均为负值的特殊结构,并利用这种复合材料观察到了负折射现象,才证实了左手材料折射率的测量值为负值。

首次人工合成的双负材料|图源:网易

人们预测,可见光范围的左手材料将会有广泛的应用前景,例如超透镜(这种透镜的光损失非常小,可以大大提高显微镜的分辨率)和隐身材料(雷达电磁波通过其中会发生弯曲绕过,可完美达到高质量隐身的目的)。

超透镜|图源:sohu.com

尽管这种材料还未真正投入生产和应用,但如果能够实现,就会在光学成像、工程和国防等领域发挥重要的作用。我们相信,在科技飞速发展的现代,人类始终有着化不可能为可能的神奇力量,也许超透镜与“隐身”的实现就在不久的将来。

参考文献

[1]吴俊慷,刘博,刘鹏,张建华.液体折射率随温度改变的研究[J].大学物理实验,2014,(5): 32-35

[2]廖昱博,赖昭胜,聂泰,罗源.阿贝折射仪测量溶液浓度研究[J].赣南师范学院学报,2012,(3): 28-30

[3]韦维,彭麒维,刘彩霞,张霆,阮千虓.基于海市蜃楼原理测量溶液的折射率[J].物理实验,2022,第42卷(5): 30-34

[4]贾秀丽,王晓鸥,周忠祥,孟庆鑫.手性负折射率材料的最新进展[J].中国光学,2015,第8卷(4): 548-556

来源:上海科技馆

编辑:virens

0 阅读:0

撬开科学新世界

简介:感谢大家的关注