物理園 > 油上的彩虹 > 自然現象

文﹕林俊雄


圖一 薄膜的干涉現象



















圖二 光在不同介質反射所產生的干涉現象經常造成彩虹般的顏色。















為什麼油上會有像彩虹般的顏色呢？
當汽油滴在雨天的馬路上，水表面形成薄薄的一層油膜，這層膜的上、下兩個面都會反射光線，如果兩束光的路程差是波長（光在油中的波長）的整數倍，就會發生相長干涉 (圖一 )。隨著反射角度的變化，光線會經過不同厚度的油，發生相長干涉的光波的波長也不同，反射上來的光有不同的顏色，所以油面上便呈現像彩虹般的顏色，這叫做光的薄膜干涉現象。

物理園 > 黑板也會反光? > 自然現象

文﹕林俊雄


圖一 黑板反光！？








為甚麼黑板也會反光？為甚麼我們很難看到反光黑板上的文字？
黑板會反光並不是因為塗料不夠「黑」。縱使黑色的東西會吸收大部份照射在它上面的光，總會有小部份的光被反射。尤其是造得十分平滑的黑板，那大而光滑的表面會將大量光線反射於同一方向。雖然黑板上白色的字會反射較多的光線，但粗糙的表面將光分散地反射，而文字的反射面積又小，所以還是被黑板的反射光蓋過而看不清黑板上的字。

要是換了一個粗糙表面的黑板，反射光分散了，黑板的反光程度便會大減。

物理園 > 雷電的成因 > 自然現象

文﹕張啟聰


圖一 「先導閃電」的形成







雷電是甚麼？它是如何形成的？
到現時為止，科學家仍然未能完全了解雷電的成因。我們可以描述雷電的過程，但當中許多現象仍然無法解釋。根據觀測，雲層的上部帶正電，下部帶負電，因此地面便會感生了大量的正電。雲層下部的電位要比地面低得多，所以帶負電的電子便會向地面加速。當閃電開始時，雲底會向地面發出「先導閃電」(step leader)；先導閃電並不很光亮，但速度很快。它會前進約 50 m，然後作一個很短的暫停，之後再改變方向前進、暫停。這個過程會重覆許多次，形成一條曲折的路徑 (圖一)，充滿著負電。高速移動的電子會把空氣電離化，使這條路徑能夠導電。當「先導閃電」接近地面時形成了很強的電場，使地面大量的正電荷上升，跟路徑中的負電中和，在放電的過程中釋放出巨大能量，這便是「回返閃擊」(returning stoke) (圖二)。由於「回返閃擊」比「先導閃電」光亮得多，所以我們看見的閃電原來是由地下向天空的放電過程！「回返閃擊」才是強光、熱能和巨響的源頭。


圖二 「回返閃擊」的形成





雷電過程還未完結。當「回返閃擊」消失後，在一段極短的時間後，雲層會再次發出「先導閃電」；但這一次的「先導閃電」並不會在中途暫停，而且會沿著「回返閃擊」所走的路而行。這個過程會重複許幾次，甚至幾十次。為甚麼閃電是這樣？可能沒有人完全了解。

物理園 > 潮汐的成因 > 自然現象

文﹕林俊雄



圖一 月球對地球上不同部分產生的引力差異，造成潮汐。





為甚麼每天會出現兩次潮漲，兩次潮退﹖
潮汐的出現是因為地球受著月球不均勻的萬有引力的影響。甚麼是不均勻的萬有引力呢？根據牛頓的萬有引力定律，萬有引力與兩個物體的距離之平方成反比，亦即是說，距離近些，引力會大些；距離遠一點，引力就小一點。

請看看圖一： A 點所受的月球引力比 B 點 (地球中心)大，潮水自然吸引向月球，形成漲潮；而 C 點所受的月球引力比 B 點小，所以相對於 B 點來說，水位也會漲起。所以 A 點和 C 點會潮漲，而 D 點和 E 點的水位較低，即是潮退。

地球在一天的自轉中，月球的位置沒有多大的改變，所以地球上某一地點將會經過兩個發生潮漲的海水區域。因此我們每天會看見兩次潮汐。

物理園 > 自然現象 > 神秘的極光

圖一 神秘的極光。

文﹕湯兆昇

生活在香港的我們，也許沒有機會看見極光。但對於居住在極北或極南地域的人們，極光是一場神秘的夜空之舞。閃爍的淺綠色光弦形狀在不斷地變化，就像輕柔的窗簾，被微風所牽動，婉延在寧靜而寒冷的夜空中。極光的光度會改變，當它最明亮的時候，多種顏色相繼出現，璀燦悅目。

極光到底是甚麼？
很久以前，人們以為極光只是太陽光被天上微小的冰塊反射而成的，但當科學家分析極光的光譜時，發現它與太陽的光譜並不相似，由此否定了這個說法。另一方面，極光的光譜卻和一些氣體在極高電壓下放電的光譜有不少相似之處。事實上，極光是地球大氣高層的氣體分子或原子受來自太陽的高能電子碰撞後發射的。簡單來說，分子或原子受電子碰撞後，會被激發至較高的能態，甚至被電離。當離子重新俘獲電子，輾轉回到基態的時候，便會被發射某些擁有特定波長的光波。

這個模型解釋了極光的顏色。來自太陽的紫外線把氧分子分解成原子，成為了大氣最高層 (電離層) 的主要成份。當氧原子受電子激發後，便會發出極光那主要的淺綠色光芒。能量較高的電子則可深入大氣層較低的地方，激發那裡的中性氮分子，發出粉紅色或紫紅色的光輝。電離的氮分子則發出紫藍色的光。這些次要的激發豐富了極光的顏色，為這道美麗的卷簾添上了悅目的花邊。

極光與太陽活動有關嗎？
有關。產生極光的高能電子來自太陽。太陽是一個熾熱的火球，在太陽的外層大氣裡，溫度可超越一百萬度。在這稱為日冕的大氣層裡，原子 (主要是氫) 因為高溫電離了，變成了一團充滿了自由離子 (主要是質子) 和電子，既高溫又非常稀薄的氣體。太陽日冕的爆發不斷把這些離子和電子拋射出太空，形成所謂太陽風。這些帶電粒子帶同太陽的磁場，走過了差不多兩天的路程才來到地球。電子遇上了地球的磁場後又會被俘虜，最後被牽引至地球南、北極附近，與大氣高層的粒子碰撞，形成絢麗的極光。因此，極光的出現與太陽的活動息息相關。太陽的活躍週期為十一年，即每隔十一年，太陽的活躍程度便會到達高峰。在這些太陽暴怒的時候，它的表面可能發生一些稱為耀斑的高能爆發，伴隨著爆發的是大量在日冕中的帶電粒子被拋射出太空。這些極高能的粒子可能帶來了比平時大千倍的能量，使極光變得非常燦爛，高度也增加了，甚至在美國也可看到。






圖二 地球磁場的結構。













圖三 太陽風與地球磁場的作用。














圖四 從北極看地球磁頂。注意正負電極和主電流的形成。













太陽風如何與地球磁場作用？
要明白太陽風遇到地球磁場後帶電粒子的運動並不簡單。圖二顯示了地球磁場與太陽風的磁場相互作用，產生了幾個區域。地球磁場被太陽風的磁場塑造成彗星狀的區域，兩者的磁力線在區域的邊沿 (稱為磁頂) 交接。當太陽風經過磁頂時 (圖三)，帶電粒子受磁場的磁力影響，質子會偏移至圖四的右方，而電子則偏移至左方 (你還記得如何從右手法則決定帶電粒子在磁場中的運動方向嗎？) 這些電荷的分離造成了正負兩個電極，產生了從正極流向負極的電流。但這電流並非直接流通兩電極，而是繞過一條很有趣的路徑﹕電流首先受地球磁場的影響，沿著磁力線迴旋至電離層，在電離層形成一個橢圓狀的導電通道，稱為極光帶，最後電流主要從橢圓的另一端離開，流至負極。極光就是在極光帶裡產生的，這個以北極為中心的環狀區域由北緯 伸延至北緯 左右，在南極附近也有一個類似的區域。因此極光只有在極北或極南的地域才可看到，在赤道附近，很難看見。

物理園 > 自然現象 > 晩上聲音傳得較遠

圖一 日間靠近地面的空氣較上層熱，聲波會被折射向上空。

圖二 夜間接近地面的空氣較冷，聲波會被折射向地面。




文﹕張啟聰











為甚麼聲音在晚上可以傳得較遠？是因為晚上較日間寧靜嗎？
如果你去海灘渡假，當夜幕低垂，你一定會發現遠處的人聲也可以聽得很清楚。你可能會想，這是因為晚上本來就較日間寧靜，所以很容易便可以聽見遠處的聲音。但這只是部分的原因而已﹔原來聲音傳得較遠也可能與聲波的折射有關！首先，聲音是空氣的振動，是波動的一種。聲波在熱空氣中走得較快，在冷空氣中較慢，因此不同溫度的空氣有不同的折射率，就好像許多光學密度不同的介質。當聲波在溫度隨高度改變的空氣中傳播時，便會發生折射現象，聲波會向著氣溫較低的地方走。在日間，地面被太陽照射，靠近地面的空氣較上層熱，聲波會被折射向上空 (圖一)。相反在夜間時分，接近地面的空氣較冷，聲波便會被折射向地面 (圖二)。