放大镜是一个很有趣的玩具,除了可以用来放大,还可以干坏事,在阳光下可以烧蚂蚁、烧绿叶玩,现在想来确实有点那啥了。火柴现在在农村还能见得到,用放大镜汇聚太阳光可以轻松的点燃火柴,或者干木材、纸张等。
放大镜是一块薄薄的凸透镜,凸透镜具有聚光作用,能够将平行光束汇聚于一点。
太阳能够自发光,属于恒星。月亮不会发光,月亮的光来源于太阳,月亮就相当于一面粗糙的镜子,将太阳光反射(属于漫反射)到地球表面,能够照亮晴朗夜空下的大地。
既然如此,放大镜能够汇聚阳光点燃火柴,类似的,放大镜能够汇聚月光点燃火柴吗?这个其实可以做个实验,不过受条件限制,我们就从理论上分析一下。
点燃火柴需要哪些条件?
火柴是根据摩擦生热的原理制造的一种是取火工具。这里以安全火柴为例。火柴由小木签和火柴头组成,火柴头一般是由氯酸钾(KClO3)、二氧化锰(MnO2)和硫(S)等物质混合而成的,其燃点约为400摄氏度;火柴上木签的燃点比火柴头略低,木材的燃点不固定、范围比较广,大约在200~300摄氏度之间。火柴盒两侧用来擦燃火柴的纸是由红磷(P)、三硫化二锑(Sb2S3)和玻璃粉做成的,红磷燃点仅为260摄氏度,被用作点燃火柴头的引子。
燃烧需要三个条件:可燃物、氧化剂、可燃物的温度达到燃点(燃点就是物体的着火点,是物体发生燃烧反应所需要的最低温度)。在这里,可燃物就是火柴头,火柴头上自带氧化剂二氧化锰,火柴头的着火点大约为400摄氏度。
月光的强度
太阳和月亮都可以看作光源,虽然大小相差很大,由于远近不同,从地球表面看起来,两者的可视面积差不多大。
对于不同的光源,我们可以用光照强度来比较两者之间的差异。所谓的光照强度就是太阳光或者月亮光照在地面上,单位面积上所接收到的光通亮,单位为勒克斯(lx),即流明/平方米(lm/m?=1 lx)。
如图所示,光通量与光照强度之间的关系。
资料显示,夏季阳光直射下的光照强度可达6万~10万lx;而夜间满月状况下的光照强度仅为0.2 lx,相当于一个100瓦的白炽灯在距离20米处的照度。通过数据比较可以发现,月光的强度大约为太阳光强度的40万分之一。月球虽然能够反射太阳光,不过月球的反射率仅为10%左右,其余90%都被月球吸收了。
月光有温度吗?
由于月亮距离太阳太远,太阳光垂直照射到月球表面,月球表面的温度也不过上百摄氏度。月光照射到人身上,人也感觉不到热。那么月光的温度是多少摄氏度呢?
温度是大量分子热运动的集体表现。也就是说,只有存在大量实物粒子,才有温度这个概念。环境温度虽高(即环境中分子的平均热运动比较剧烈),若单位空间内的分子数较少,那么总能量必然很少,发生能量交换的几率也就变小了,单位空间的平均能量也很少,自然感觉不到热。在这种情况下,利用普通温度计所测量到的温度与实际温度也不符。
如图所示,分子热运动越剧烈,温度越高。
比如,在距离地球表面500千米处的地球大气边缘(电离层和散逸层的交界地带),那里的大气温度可达2000摄氏度,但由于那里的大气密度极低,人在那儿还感觉有点冷。之所以会出现上面的疑惑,就是只考虑了温度,而没有考虑能量密度。
再举个实际点的例子。比如木材燃烧时时产生的火星,温度高达几百度,触碰到人体却并不会引起烫伤,这就是关于平均能量与温度关系的例子。
凡是温度高于绝对零度0开(零下273.15摄氏度)的物体都会向外界辐射出红外光,这个也可以称之为热辐射。当温度足够高时,还会发出可见光,通常我们所说的发光就是发出可见光。实际上光和热是同一性质的两个面,光和热本质上都是电磁辐射。光是纯能量形式的物质,按照温度的经典定义,光是没有温度的。
不过,一般来说温度越高的物体所发出的光的频率也就越高,我们可以以此来确定光的温度。这里光的温度是由光的色温引出来的,因为光的色温是指某一光源发出的光的光谱与具有相同光谱成分的黑体所对应的温度。
光源发出的光由一定范围内不同频率或者波长的光组成,不同光源发出的光具有不同的光谱。那么光的温度可以由它的光谱确定,光谱中高频率的光越多,光的温度也就越高。月光由于是直接反射的太阳光,那么月光的温度与太阳光的温度也就差不多。太阳光的温度大约有6400开,那么月光的温度也是这个数值。
为什么放大镜通过汇聚阳光能点燃火柴?
放大镜通过汇聚阳光能够点燃火柴、纸张等易燃物,是公认的事实。不知道大家有没有想过,为什么放大镜能够点燃火柴?
点燃可燃物需要足够高的温度。太阳光就是一种电磁波,是一种纯能量性质的东西,。放大镜的主要作用是汇聚阳光,通过放大镜的汇聚作用,可以提高单位面积上的能量密度。不过,放大镜只能提高能量密度,却无法提高太阳光的温度。
太阳光可以认为有温度,与太阳表面的平均温度差不多,太阳光的温度大约为6400开。温度如此高的光照射到火柴上,但能量密度不够,没有放大镜的帮助根本点不燃火柴。当具有足够高的能量密度,分子在电磁能的推动下热运动足够快,火柴的温度才能达到燃点。
研究显示,在晴朗的白天,需要6平方厘米以上的放大镜才可以将一根火柴点燃。
那么利用放大镜汇聚月光能点燃火柴吗?
月光的温度约为6400开,即使算上损耗,这样的高温也足以点燃火柴。月光的温度虽然很高,奈何月光的平均能量密度比较低,因此需要足够大的放大镜汇聚足够多的月光,才有可能点燃火柴。
那么究竟需要多大尺寸的放大镜呢?在良好天气情况下,地球上所接收到的太阳光是月光强度的40万倍,并且至少需要6平方厘米的放大镜才能点燃火柴。如果将太阳光换成月光,那么理论上至少需要240平方米(半径约为8.8米)的放大镜才能点燃火柴。
这么大的放大镜,做是做得出来,要想镜面曲率及透光率过的去,就比较烧钱、耗时间了。据我所知,目前世界上还没有口径(直径)超过10米的光学望远镜。也许把普通凸透镜换成菲涅尔透镜更方便一点。
直径这么大的放大镜,再考虑到透光率的问题,月光穿透透镜时必然存在能量损耗。在满月状态下,应该需要半径10米的放大镜才能汇聚足够多的月光点燃火柴。
再加上火柴在不停的散热,放大镜焦点处需要足够大的能量功率,还需要一定长的时间才能使火柴头的温度达到燃点。
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