放大鏡是一個很有趣的玩具,除了可以用來放大,還可以幹壞事,在陽光下可以燒螞蟻、燒綠葉玩,現在想來確實有點那啥了。火柴現在在農村還能見得到,用放大鏡匯聚太陽光可以輕鬆的點燃火柴,或者幹木材、紙張等。
放大鏡是一塊薄薄的凸透鏡,凸透鏡具有聚光作用,能夠將平行光束匯聚於一點。
太陽能夠自發光,屬於恆星。月亮不會發光,月亮的光來源於太陽,月亮就相當於一面粗糙的鏡子,將太陽光反射(屬於漫反射)到地球表面,能夠照亮晴朗夜空下的大地。
既然如此,放大鏡能夠匯聚陽光點燃火柴,類似的,放大鏡能夠匯聚月光點燃火柴嗎?這個其實可以做個實驗,不過受條件限制,我們就從理論上分析一下。
點燃火柴需要哪些條件?
火柴是根據摩擦生熱的原理製造的一種是取火工具。這裡以安全火柴為例。火柴由小木籤和火柴頭組成,火柴頭一般是由氯酸鉀(KClO3)、二氧化錳(MnO2)和硫(S)等物質混合而成的,其燃點約為400攝氏度;火柴上木籤的燃點比火柴頭略低,木材的燃點不固定、範圍比較廣,大約在200~300攝氏度之間。火柴盒兩側用來擦燃火柴的紙是由紅磷(P)、三硫化二銻(Sb2S3)和玻璃粉做成的,紅磷燃點僅為260攝氏度,被用作點燃火柴頭的引子。
燃燒需要三個條件:可燃物、氧化劑、可燃物的溫度達到燃點(燃點就是物體的著火點,是物體發生燃燒反應所需要的最低溫度)。在這裡,可燃物就是火柴頭,火柴頭上自帶氧化劑二氧化錳,火柴頭的著火點大約為400攝氏度。
月光的強度
太陽和月亮都可以看作光源,雖然大小相差很大,由於遠近不同,從地球表面看起來,兩者的可視面積差不多大。
對於不同的光源,我們可以用光照強度來比較兩者之間的差異。所謂的光照強度就是太陽光或者月亮光照在地面上,單位面積上所接收到的光通亮,單位為勒克斯(lx),即流明/平方米(lm/m=1 lx)。
如圖所示,光通量與光照強度之間的關係。
資料顯示,夏季陽光直射下的光照強度可達6萬~10萬lx;而夜間滿月狀況下的光照強度僅為0.2 lx,相當於一個100瓦的白熾燈在距離20米處的照度。通過數據比較可以發現,月光的強度大約為太陽光強度的40萬分之一。月球雖然能夠反射太陽光,不過月球的反射率僅為10%左右,其餘90%都被月球吸收了。
月光有溫度嗎?
由於月亮距離太陽太遠,太陽光垂直照射到月球表面,月球表面的溫度也不過上百攝氏度。月光照射到人身上,人也感覺不到熱。那麼月光的溫度是多少攝氏度呢?
溫度是大量分子熱運動的集體表現。也就是說,只有存在大量實物粒子,才有溫度這個概念。環境溫度雖高(即環境中分子的平均熱運動比較劇烈),若單位空間內的分子數較少,那麼總能量必然很少,發生能量交換的機率也就變小了,單位空間的平均能量也很少,自然感覺不到熱。在這種情況下,利用普通溫度計所測量到的溫度與實際溫度也不符。
如圖所示,分子熱運動越劇烈,溫度越高。
比如,在距離地球表面500千米處的地球大氣邊緣(電離層和散逸層的交界地帶),那裡的大氣溫度可達2000攝氏度,但由於那裡的大氣密度極低,人在那兒還感覺有點冷。之所以會出現上面的疑惑,就是只考慮了溫度,而沒有考慮能量密度。
再舉個實際點的例子。比如木材燃燒時時產生的火星,溫度高達幾百度,觸碰到人體卻並不會引起燙傷,這就是關於平均能量與溫度關係的例子。
凡是溫度高於絕對零度0開(零下273.15攝氏度)的物體都會向外界輻射出紅外光,這個也可以稱之為熱輻射。當溫度足夠高時,還會發出可見光,通常我們所說的發光就是發出可見光。實際上光和熱是同一性質的兩個面,光和熱本質上都是電磁輻射。光是純能量形式的物質,按照溫度的經典定義,光是沒有溫度的。
不過,一般來說溫度越高的物體所發出的光的頻率也就越高,我們可以以此來確定光的溫度。這裡光的溫度是由光的色溫引出來的,因為光的色溫是指某一光源發出的光的光譜與具有相同光譜成分的黑體所對應的溫度。
光源發出的光由一定範圍內不同頻率或者波長的光組成,不同光源發出的光具有不同的光譜。那麼光的溫度可以由它的光譜確定,光譜中高頻率的光越多,光的溫度也就越高。月光由於是直接反射的太陽光,那麼月光的溫度與太陽光的溫度也就差不多。太陽光的溫度大約有6400開,那麼月光的溫度也是這個數值。
為什麼放大鏡通過匯聚陽光能點燃火柴?
放大鏡通過匯聚陽光能夠點燃火柴、紙張等易燃物,是公認的事實。不知道大家有沒有想過,為什麼放大鏡能夠點燃火柴?
點燃可燃物需要足夠高的溫度。太陽光就是一種電磁波,是一種純能量性質的東西,。放大鏡的主要作用是匯聚陽光,通過放大鏡的匯聚作用,可以提高單位面積上的能量密度。不過,放大鏡只能提高能量密度,卻無法提高太陽光的溫度。
太陽光可以認為有溫度,與太陽表面的平均溫度差不多,太陽光的溫度大約為6400開。溫度如此高的光照射到火柴上,但能量密度不夠,沒有放大鏡的幫助根本點不燃火柴。當具有足夠高的能量密度,分子在電磁能的推動下熱運動足夠快,火柴的溫度才能達到燃點。
研究顯示,在晴朗的白天,需要6平方釐米以上的放大鏡才可以將一根火柴點燃。
那麼利用放大鏡匯聚月光能點燃火柴嗎?
月光的溫度約為6400開,即使算上損耗,這樣的高溫也足以點燃火柴。月光的溫度雖然很高,奈何月光的平均能量密度比較低,因此需要足夠大的放大鏡匯聚足夠多的月光,才有可能點燃火柴。
那麼究竟需要多大尺寸的放大鏡呢?在良好天氣情況下,地球上所接收到的太陽光是月光強度的40萬倍,並且至少需要6平方釐米的放大鏡才能點燃火柴。如果將太陽光換成月光,那麼理論上至少需要240平方米(半徑約為8.8米)的放大鏡才能點燃火柴。
這麼大的放大鏡,做是做得出來,要想鏡面曲率及透光率過的去,就比較燒錢、耗時間了。據我所知,目前世界上還沒有口徑(直徑)超過10米的光學望遠鏡。也許把普通凸透鏡換成菲涅爾透鏡更方便一點。
直徑這麼大的放大鏡,再考慮到透光率的問題,月光穿透透鏡時必然存在能量損耗。在滿月狀態下,應該需要半徑10米的放大鏡才能匯聚足夠多的月光點燃火柴。
再加上火柴在不停的散熱,放大鏡焦點處需要足夠大的能量功率,還需要一定長的時間才能使火柴頭的溫度達到燃點。
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