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1.液体的反射是如何影响玻璃表面的,博士利用冰透镜把焦点对准易燃的药剂
2020-04-24 05:02

“如果有人用你的名字开出5塔拉的支票,你如何让这支票变成无效呢?”苏格拉底向史特莱谢德斯发问。

去年十月二十日募捐结束之后,大炮俱乐部的主席曾经拨给剑侨天文台一笔款子,造一架巨大的光学仪器,这架仪器,无论是折射望远镜,还是反射望远镜,必须威力极大,才能看清月球表面上一个直径最多不过九英尺的物体。 在这两种望远镜之间,有一个极其重要的区别这儿应该说明一下。折射望远镜有一根长管子,上端有一面凸透镜,叫做物镜,下端也有一面透镜,叫做目镜,观测者:眼睛就是从这面透镜里观察物体的。从发光体发出来的光线,穿过第一面透镜,经过折射作用,在焦点上形成一个物像。 观察者从目镜里望着这个被这面透镜放大了的物像,正象用放大镜观察物体一一样。所以说,拆射望远镜的管子是一端被物镜堵住,另外一端被目镜堵住的。 相反的,反射望远镜的营子上端是敞开的。被观测的物体的光线自由地穿入管口,射在一面金属凹面镜、也就是说聚光镜上。光线从那儿反射到一面小镜子上,然后再通过目镜记物像放大。 因此:折射望远镜主要的是利用忻射作用,而反射望远镜则利用反创作用,所以前者叫做折射镜,后者叫做反射镜,制造这些光学仪器的全部困难都集中在物镜,也就是说,集中在凸透镜或者金属反光镜上。 但是,在大炮俱乐部进行它那伟大实验的时代,这些仪器已经非常精密,获得了良好的成绩,伽利略用他那只只能放大七涪的拆射望远镜观测天体的时代,已经成为遥远的过去。从十六世纪起,光学仪器日渐加粗,加长,加大,使我们有可能测量恒量空间前所未见的深处,当时正在工作着的折射望远镜,有俄国布科娃天文台的望远镜,它的物镜十五英寸;有法国光学家赖尔布的望远镜,它的物镜和前者一样大:最后还有剑桥天文台的望远镜,它的物镜的直径是十九英寸。 在反射望远镜中间;我们知道的有两架威力强大的巨型望远镜。第一架是赫歇耳制造的,三十六英尺长,占有一面四英尺半宽的反光镜,能够放大六千倍。第二架耸立在爱尔兰比尔卡斯尔的派生顿公园里,属于洛斯爵士。管长四十八英尺,反光镜宽六英尺,放大六千四百倍,重二万八千磅,必需造一个很大的建筑物,来安放躁纵仪器的机器。 “我们看得出来,这些仪器虽然体积庞大,可是只能放大六千倍左右;然而,放大六千倍,月球的距离只缩短到三十九英里,只能看见直径六十英尺的物体,除非这些物体特别长。 可是现在,炮弹只有九英尺宽、十五英尺长!因此必须把月球的距离至少缩短到五英里,要做到这一点,望远镜必须放大四万八千倍。 这就是剑桥天文台遇到的间题。他们没有财政上的困难,剩下的只是物质上的困难了。 首先要在折射望远镜和反射望远镜中间选择一种。折射望远镜比反射望远镜好。同样尺寸的物镜,它能放大更多的倍数,因为光线穿过凸透镜比通过金属反射镜的损失小。但是凸透镜的厚度是有限度的,因为太厚了,光线就射不进来了。而另一方面,要造这种巨大的透镜非常困难,并且需要很长的时间,往往要花上好几年的工夫。 所以,物像在折射望远镜里显得更加明亮,这是一个无法估计的优点,现在要观测的是月球,而月球不过是一个反光体,尽管如此,人们还是决定采用反射望远镜,因为制造这种仪器不需要多少时间,同时还能增加放大的倍数。但是,在穿过大气层时,光线的强度要损失很大一部分,大炮俱乐部决定把仪器设在合众国最高的高山上,用以减少空气层的厚度。 我们上面已经谈到,反射望远镜的目镜,也就是说放在观测者眼睛底下的透镜,产生放大作用,而物镜的直径越大,焦点距越长,放大的物像也越大。要放大四万八千倍。 物镜必须比赫歇耳和洛斯爵士的大好几倍才成。这就困难了,因为铸造这种反光镜是一项非常细致的工作。 幸亏几年以前,法国学院的一位科学家雷翁-佛考发明了一个新的方法,用镀银的镜子代替金属的镜子,这样一来,制造物镜就又快又方便了。只消造一面你所需要的尺寸的玻璃镜,然后镀上银就成了。剑桥天文台就采用这个效果良好的方法制造物镜。 此外,他们还采用了斯劳的天文学家赫歇耳设计的安装法。物体从他那架巨大的仪器管底一面倾斜的反射镜里直接映入另外一端的目镜。因此观测者的目光不是从管底,而是从管顶的目镜里投入这个巨大圆筒里。这种联合装置的好处是废除了把物像反射到目镜里的那面小镜子) 当中只经过一道,而不是两道反射手续。因而损失的光线比较少,物像也不十分模糊。总之,光线就比较充足了,这对于目前进行的观测来说,是一个值得重视的好处。 采取了这几项决定以后,工作就开始进行了。根据剑桥天文台办公室的计算,这架新望远镜的长度应为二百八十英尺,反射镜的直径应为十六英尺。这架仪器虽然很大,也不能跟几年以前天文学家胡克①设计的那架长达十英里的反射望远镜相比。尽管如此,制造这样一架仪器仍旧是很困难的。 地基问题很诀地解决了。必须选定座高山,而台众国的高山却寥寥无几。 的确,这个大国只有两条不很高的山脉,美丽的密西西比河在它们中间奔流,假如美国人允许什么王国存在的话,他们会把它叫做“江河之王”。 东西向的一条是阿帕拉契亚山脉,它的最高的山峰耸立在新罕布什尔境内,还不到五千六百英尺的高度,是一座极普通的山。 相反约,西面的落基山脉却是一条连绵不断的山脉,它从麦哲轮海峡,沿着南美洲西海岸上行,叫做安第斯山脉或者科迪那拉山脉,穿过巴拿马地峡,.漫过北美洲,一直向北极海的海岸奔去。” 这些山都不很高,阿尔串斯山脉或者喜马拉雅山脉恐伯要从高处非常轻蔑地瞧着它们呢。说实在的,它们最高的山峰只有一万零七百零一英尺,而勃朗峰的高度是一万四千四百三十九英尺,干城章加峰拔海二万六千七百七十六英尺。 但是,象在哥轮比亚炮问题上一样,大炮俱乐部一定要把这架望远镜建在合众国境内,那就只好满足于落基山脉了。因此一切必需的物资都运到密苏里州的琅峰上去了。 要描写美国工程师怎样克服种种困难,完成需要精湛的技术和勇气的奇迹,笔和语言都无能为力了。这是一场真正的决力比赛。他们必须远远地离开有人烟的地区,走入人类几乎无法生存的荒野地带,穿过荒无人迹的草原、无法通过的森林,跨越可怕的急流,爬上终年积雪的山区,把大石头、笨重的锻铁、沉重的铁棱角、巨大的镜筒零件以及重达三万磅的物镜运到高达一万多英尺的山上去。但是,美国人的天才终于战胜了成百上千的障碍。从开始工作时起还不到一年的工夫,在九月下旬,这架巨大的反射望远镜的长达二百八十英尺的管子就伸到天空里去了。它是被悬在一个高大的铁架上的,一套精巧的机器设备可以轻便地躁纵,使它对谁天空的任何一点,并使它从一边的地平线上追随在空中运行的天体,一直追到另外一边的地平线。 这架望远镜的价值在四十万美元以上。它第一次瞄准月球的时候,观测人员都很激动,又好奇,又惴惴不安。他们在这架四万八千倍的望远镜的视域里,将会发现什么东西呢?会发现月球的居民、一群群的动物、城市、湖泊、海洋吗?不,他们看到的都是科学界早已知道的东西,月轮每一个地方都可以绝对正确地证明月球山是属于火山性质的。 但是,落基山上的这架望’远镜,在大炮俱乐部使用它之前,已经替天文学出了不少力。由于它那强大的洞察力,天空最深的地方都被探测到了,许多恒星的视直径都被测量过了,剑桥天文台办公室的克拉克先生测定了金牛座的巨蟹星云,这一点是洛斯爵士的反射望远镜办不到的。

本例将向朋友介绍如何运用Maya创建盛放液体的玻璃器皿材质,对于创建香水瓶(用于印刷设计),酒杯中的水,以及其它一些和玻璃、液体有关的东西(与MentalRay无关)均会有帮助,希望朋友们喜欢~~

史特莱谢德斯不慌不忙地回答:“在开支票的人写字的时候,我站在他身后,利用玻璃把阳光集中到支票上,让支票上的字全融掉,一个字也看不见,就可以了。”

效果图:

这个记载在希腊哲学家亚里士多德喜剧中的情节,在后人看来无疑昭示着另一种科学意味:那个时代,人们已经懂得透镜聚焦的道理——在亚里士多德时代,希腊人用一种表面涂蜡的板子写字,所以晒了太阳后,支票上的字会融掉。

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另一个相关的故事是用冰做透镜生火。威尔诺的小说《哈德拉斯船长的旅行》里,旅行者在零下48摄氏度的寒冷环境里丢失了打火石而无法取暖。克劳·波尼博士说:“真倒霉,我们连望远镜都没带来。如果有望远镜的话,我们可以把镜片拆下来取火。”大家望着强烈的阳光,无奈地感叹。忽然,船长有了主意,用冰块做一个透镜!一干人等提着斧子到冰山上,挖出一块直径约30厘米的冰块,然后用斧子和小刀,把冰块打磨成表面光滑的透镜。阳光相当强烈,博士利用冰透镜把焦点对准易燃的药剂,几秒钟之后,药剂燃烧起来。

好了,在开始本篇教程之前,你必须要知道以下几点:

这两个小故事都和光线折射的原理相关。在工具发达的现代社会中,人们几乎不再需要这样的小技巧来生存,而其中传达的科学语言,以更生动的形式在娱乐我们的生活。据说,魔术表演里的很多节目——比如,盛在盘子上的会眨眼会说话的“人头”——就是利用了光线的反射和折射,来“欺骗”观众的眼睛。

1.液体的反射是如何影响玻璃表面的。

对于很多出生在上世纪七八十年代的中国人而言,万花筒大概是童年最好玩的玩具之一。一个小小的圆筒,两头是透明的玻璃。把眼睛贴近玻璃,便能看到里面五彩斑斓的世界,稍稍转动一下,便呈现出万变的花色。为什么每一次都不一样?父母无法给出解释,或者不愿意告诉孩子这里面的科学道理,便哄孩子:这是孙悟空变的!

2.玻璃的各个表面和液体/水之间的反射和折射。

在中学物理课上,很多孩子才知道,是光线的反射造就了万花筒。在小小圆筒的内部,是三块长方形镜子构成的密闭空间,几块细碎的小玻璃被封在其中,如此简单的结构,却能带来无穷多的变化。假设有20块小彩色玻璃在一个万花筒里,每分钟转动10次,看完所有的花样需要多久?这个问题,俄罗斯科学家贝列里门计算过,答案是5000亿年以上。

3.环境的反射也影响了玻璃表面。

万花筒是孩子的玩具,成人也需要类似的娱乐。在1900年举办的巴黎万国博览会上,一个类似万花筒的玻璃迷宫受到大家的喜爱。它由一间六角型的大房间构成,六面墙壁都是光滑的大镜子,房间的每个角落,都有和天花板的雕刻成为一体的柱子。所以游客一走进房间,就会看到无数的房间和柱子,以及房间和柱子间无数的自己,就好像跑进了一大群和自己一模一样的人当中。根据科学家计算,这六面镜子经过一次反射后,会出现6个房间;经过两次反射,就增加了12个房间;经过三次反射,又增加18个房间。这样,经过多次反射后,总共会出现468个房间。

4.为什么倒角对于玻璃的制作很重要。

这仅仅是光的物理性质,而来自生活的物理,其实有更多的“好玩”。试想一下,往一个装满水的酒杯中投入大头针——当然,你得小心翼翼,不要让针溅出水花并落到杯子外面。一枚、两枚、三枚……杯子里到底能装下多少大头针?

1.液体的反射影响着玻璃的表面。

实验的结果是,往酒杯里投入的大头针数量到了200、300、400,仍没有一滴水溢出来,酒杯边缘部分的水有一点凸起,而水面则有相当大的凸起。若计算一枚大头针的体积,与水面凸起部分相比,前者只是后者的几百分之一而已。因此,就是在装满水的酒杯里投入数百枚大头针,水也不可能溢出来。而且酒杯越大,能容纳的大头针越多。有人做过实验,在直径9厘米、装满水的酒杯里,投入1000枚大头针,依然没有水溢出。看来,这并非什么具有神奇功能的“无底”酒杯,在这里,物理学不再是常人无法理解的,或者是使人敬而远之的。它显现出了使人感到亲切的、既威力无穷又生动活泼的新面貌。

如果有一个光亮的玻璃瓶,里面盛着有色的液体或者水,那么它就一定包含着以下3个反射的区域。(图1)

-外表面反射

-内表面反射

-内部液体反射

这就意味着每个表面都有它自己的材质。

澳门新葡亰App 2图1

液体的颜色反射在玻璃瓶的内外表面上,这些反射后的形状叫做折射。当光经过水、玻璃、望远镜、塑料、放大镜以及其它一些凸起的东西时,光线弯曲,就会产生折射。

2.玻璃的各个表面和液体/水之间的反射和折射。

水是对于光的反射很强(和玻璃一样),同时光从玻璃表面到水时,也会发生反射和折射。(图2)

澳门新葡亰App 3图2

3.环境的反射也影响了玻璃表面。

玻璃会反射周围的物体。(图3)

澳门新葡亰App 4图3

4.为什么倒角对于玻璃的制作很重要。

很重要的是,有倒角的玻璃会产生高光,因为倒角有凸起的表面,所以它会折射所有的反射光、环境光和光源射来的光。(图4)

澳门新葡亰App 5图4

那么,我们要怎样才能将这些应用到Maya中去呢?

水和液体的材质(shader)

使用水/液体的材质是很简单的。先创建一个Phong材质,将颜色(Color)设为黑色,再将Transparency设成水/液体的原色(在这个例子里我使用橙色)。

将Cosine Power设到8-11之间,Cosine Power的设置取决于场景光,如果你用了很多光,那你就可以增加Cosine Power的值,使余弦值更小一些。

下一步,将Specular Color设为V=0.800左右(灰色),如果你想得到更有光泽的玻璃效果,就将它设成纯白色。

下一步,将反射率(Reflectivity)设为0。(图5)

澳门新葡亰App 6澳门新葡亰App,图5

下面进行光线追踪的设置,这一步是很重要的,先打开Refractions复选框,将折射率(Refraction Index)设为1.2到1.4之间。那么?什么是折射率呢?它指的是光线经过透明物体时弯曲的程度。

注意:当Refraction Index为1时,意味着光线根本没有发生弯曲。在Maya中,普通材料的折射率如下:玻璃(1.6)、空气(1)、水(1.333)、水晶(2)、钻(2.417)。