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各位小时候或许都有过用放大镜烧蚂蚁的经历,虽然那残忍的情景让人不堪回首,但是你有没有想过,用一个直径约4米的放大镜来尝试会是什么概念?简直就是不折不扣的死亡光线!但问题是要在现实生活中找到这样大的放大镜会难倒一大片人,因此,我们可以采用菲涅尔透镜来代替,完全可以达到相同的效果。
所谓菲涅尔透镜由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔发明,具有很好的聚焦效果,最初被用作灯塔照明。那么它与一般的放大镜有什么不同呢?菲涅尔透镜其实也是普通的曲面镜片,只不过被划分出了—系列的同心圆,这样做是为了更好地聚焦和汇聚能量。当然对于我们而言,更重要的是菲涅尔透镜成本较低廉,也更容易从日常生活中取得。接下来,为了好好利用1000瓦/每平方米的能量(没错,就是你家后院里免费的太阳光),总的来说,我们的思路是:拥有了大菲涅尔透镜的镜片之后,建造一个能让它直立起来的框架,使它能与太阳光线保持一定角度,然后再更进一步尝试着将光线校准成一道直射的光束。好了,下面就让我们开始具体的步骤,甩开膀子开干!
步骤1 获取镜片
首先,我们需要弄到一个足够大的菲涅尔透镜。同大多数DIY一样,我们有两种选择:废物利用和自行购买。为了省省钱包,建议各位还是从废旧电视机入手,最好是背投式。一般的背投式电视机屏幕都有以下两层结构:外侧的透光层和内侧的菲涅尔透镜。因此当你找到了自己满意的电视屏幕之后,就得将它们分层剥离开来,然后取出宝贵的菲涅尔透镜。欣赏一下自己的战利品,然后将电视机的尸体妥当地处理掉吧。当然菲涅尔透镜的成品也能在网上找到,不过那就得花上你几百大洋了,要求不用太高,国产的即可。
步骤2 建造一个框架
所需材料:
为了让镜片发挥作用,我们必须使得它处于一个既稳定的位置。所以我们得建造一个框架,基本上就是一个大型画框或相框,它还可以防止镜片被弯曲或者裂开。
开槽
开槽的目的是确保镜片正确安置在框架里,槽的大小视具体的镜片大小而定,总之要使镜片可以嵌入槽内。同时还要注意控制台锯锯齿的高度,最终我只开了1厘米左右的槽,刚刚好。
切割框架
开过槽之后,你就需要按照镜片的尺寸来切割木料,使得它们能够容纳镜片的长度。确保镜片槽都开在内侧,准确测量边长之后,就按照45度角来切割转角处的木质边框,这样长宽两条木料就能完美地拼接在一起。
拼接
框架组件与镜片安放好之后,就开始拼接吧。我加强了木质边框的转角处,用木螺钉穿透固定了这三层,具体的固定方法大家可以自行尝试,总之要够牢靠,否则就是杯具。
要点:如果你没有台锯这种“高级设备”,还有别的办法可以开槽。比如使用多层木板拼合的方式来把镜片固定住。不过还是不建议用螺钉直接打人镜片来固定,因为镜片可能会爆裂,后果将会很凄惨。
步骤3 保护眼睛!
有人说保护眼睛有什么值得一提的,不过鉴于这玩意儿的危险程度(不夸张地说,这些镜片聚焦产生的焦点的亮度和太阳相当),我还是把它单独作为一个步骤来说。首先得佩戴你所能找到的最好的太阳镜,雪山护目镜就更好了,只有佩戴护目镜才能有效保护你的眼睛。
如果不戴护目镜的话,一开始即使直视你也不会觉得有什么不适,然而你会发现过了几秒钟之后,当你望向别处时,聚光点还会逗留在你的视野里。视网膜的中心将会变得越来越不敏感,所以当你凝视这个聚光点,它看起来可能不是那么亮。长时间下去可能受到永久损伤,然后……然后你就失明了。因此如果你决定跳过“保护眼睛”步骤,那么希望你会喜欢上布莱叶点字法……
步骤4 测量焦距
接下来,咱们缓一缓,与其继续制造设备,还不如先测量一下你的镜片的焦距。记住只有垂直照射镜面的平行光才能准确测出焦距。也就是说,光源必须是太阳光或者是激光,而且需要极其准确地照射在镜片上。除非你住在赤道上,有直射过来的阳光,否则使用太阳光来测量焦距会异常困难。在一系列失败之后,我还是决定使用激光。通过激光,我们力图找出空间中的一点,这个点是通过透镜的平行光汇聚的地方,也就是焦点。
激光的设置
为了制造我们的平行光源,你需要将你的两个激光发射器放在一本书或者其他东西的两端,这样做的目的在于,使得激光与镜面垂直,然后确保它们在同一水平面上。放置好以后就将设置好的激光器转向镜片。同时,叫别人帮忙保持镜片的直立,并使用丁字尺来保证它取得完美的垂直。好玩的是,在镜子后面的墙上,你会发现两个奇特的衍射图样。
找到焦点
要找到焦点就得不断尝试,具体来说在保持屏幕直立的情况下,来回移动屏幕,直到两个光点汇聚起来,再用卷尺测量—下光点离你的屏幕有多远。我使用的镜片焦距大约是1米左右。
步骤5 选择聚焦透镜
要想使光线更为集中,咱们还需要弄一个聚焦透镜,它会将光线弯曲成一道光束。创造一道光束的好处很明显:物体不必放在焦点中心上就能被点燃;光束可以进一步地被操纵——放大、反射、穿过一个棱柱,怎样都行;光束的能量大得如同激光。在选择合适的聚焦透镜前,先让我们来复习一下光学知识。在光学当中,镜片的聚光能力由焦距来衡量(强大的镜片有更短的焦距)。为了避免损失能量,我们需要令光线在到达焦点前就分岔开来(使用发散透镜),或者在焦点之后光线开始分散的地方将它们汇聚起来(使用汇聚透镜)。不过在这里为了使能量集中,我们还是选用汇聚透镜的方式来聚焦。
当两个镜片相隔较远时,我们以几何平面来考虑这个问题:聚焦透镜必须有足够强大的
步骤6建造支架
现在我们已经有了一组镜片,还需要设计一个支架来在合适的地方安置它们。经过一阵纠结,我发现其实最简单的方法是使用细木桩和胶合板来拼接一个。
基本架构
这里我还是不过多纠缠于细节了,这种木工活大家多少都有经验。我首先切割木料,取得合适的长度和角度,接着拼接侧面,聚光能力,也就是说,其焦距必须足够短,所以当光线从菲涅尔透镜的焦点后部开始扩散时,能全部被第二个透镜截获到。
具体到比例关系上,如果第二个透镜的焦距为fB,dA和fA分别是你的菲涅尔透镜的直径和焦距,那么透镜的直径必须达到dB=fB(dA/fA)。通过不断来回地移动第二块镜片进行测试,最终我选择的是焦距为35mm的透镜。
说到透镜的来处,你同样可以在网上很多地方找到。稍微大点的镜片更合适,因为通常大菲涅尔透镜制造的聚光点都不小(3-5cm宽),所以你至少需要一个5cm的透镜以便截获全部的光线。必须要提一下的是,千万不要找塑料玻璃材料的透镜,脆弱的塑料玻 璃可没办法应对这种强度的光线。
然后再切割取用废旧的胶合板用以支撑,最后将所有的部件组接到一块儿。我使用了两个直角托架将撑板和横梁连起来,最后拼接成为镜片的支架。
找到重心
为了找到整个支架的重心(应该是在厚木板的中心线上),你得和一个朋友抓住木板的两端,看看哪个点会取得平衡。最后,在仿选择的点上钻个大小合适的孔(取决于下一个步骤中的螺栓大小)。
步骤7建造支撑底座
支架虽然建好了,可是我们还需要将镜片朝向太阳并调整角度。为了实现这个目的,我们想出了一个非常简单、坚固的底座方案。
设计
你从图中可以看到基本的设计方案,厚木板使用方头螺栓接合在一起。首先要在第一部分上钻孔(直径需和螺钉头一样宽),再在第二部分上钻导向孔(让螺纹部分能嵌入其中)。记得将木螺钉一点一点地钻进去。它们接合得非常紧,只要少量这样的固定装置就可以牢固地把所有的部分组合在一起。不过你首先得准确测量支架的宽度,底座需要略宽一些,多出的宽度可以用垫片处理。
固定支架
按照做好的设计图,在支架的顶部打洞,插入合适的垫片、垫圈、机身螺栓和螺帽。接着再使用扳手,将整根螺栓牢牢地嵌入支架当中,支架就被固定起来了。
步骤8封装透镜
很明显,我们的“死亡光线”还缺少一些东西,为了得到好的效果,需要对聚焦透镜进行封装。如果将镜片转向,垂直面向太阳光,就会在胶合板上看到一个明显的聚光点。这样做完之后,我们就知道该在何处放置聚焦透镜了。最容易的方法是,将聚焦透镜安置在一个镜筒的尾端,镜筒需要5cm宽。然后校准光线,使它们聚集成一道更小的光束。
准备镜筒
我们大体上需要两个镜简,这两个镜筒得相互嵌套,里面的那个可以拉近和推远,而且要有在一个固定位置上保持静止的能力。我最终想到了一个完美的解决方案:5cm的PVC伸缩接头。它由两根管道组成,内侧的管带有许多的硅酮润滑油(有润滑
所需材料:
油就是好用……),可以轻松地滑入滑出,并且我的聚焦透镜刚好可以插进去。但是我们还需要对PVC接头做一下处理,内侧的镜筒上有轮圈状突起,可以用来放置镜片。使用斜锯或弓锯,稍稍处理一下,镜片就能放上去了。
准备粘合剂
在尝试中我发现,只要不小心碰了一下镜简,镜片就掉了出来。所以我决定用粘合剂把镜片粘在里面。事实证明环氧树脂类粘合剂是一个不错的选择,只需要把它们均匀涂抹在镜片周围起固定作用就行。
步骤9安装封装好的透镜
瞄准
在安装聚焦透镜之前,首先我们要瞄准太阳。瞄准太阳的一个简单方法是,转动设备直到它在地面上的投影和支架平行(如果地面是平的话),这意味着太阳此时就在正前方的方向上。然后旋转一下,镜片角度合适的时候,就能在支架上发现一个明亮的光点。如果这个点不是在胶合板横梁的中部,就说明没有正确地对准太阳。
透镜安装
确定了聚光点以后,我将镜筒封进了一个胶合板制成的盒子里。这个盒子使用的便是之前剩下的厚木板。记得把镜筒牢牢压紧,不过也不要太大力把镜筒给压坏了。当然也可以视情况采取其他的安装方式,总之要保证透镜足够稳定。
步骤10释放威力吧!
通过不断地测试和调整,我终于可以用“死亡光线”来尝试一下毁灭的乐趣了!受网上流传的相似的菲涅尔透镜实验的启发,我决定尝试融化硬币。即使测试的时候是在冬至日,我还是发现,放在焦点上的锌币,不到一分钟就融化了……铜币没有融化,但要是在夏天可就不一定了。要知道铜的熔点在1000度左右,锌则为400度左右。接下来我又尝试了其他各种硬币,残缺程度各有不同,总之还是让人很有成就感!
结论
很明显,1平方米左右的大菲涅尔透镜是非常强大的武器,虽然咱们没办法自己制造电磁炮或者军用激光,但这个设备已经足够让我们自嗨了。利用这组透镜理论上就可以在1平方米的大小上集中1200W的能量。当然,由于我们测试的时间和所处纬度都不够理想,所以只发挥了很小的部分。但是这些能量仍然轻松地融化了一些固态金属,并且使镍达到了非常酷炫的红热状态。要是在夏天的话,咩哈哈哈哈哈!。
所谓菲涅尔透镜由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔发明,具有很好的聚焦效果,最初被用作灯塔照明。那么它与一般的放大镜有什么不同呢?菲涅尔透镜其实也是普通的曲面镜片,只不过被划分出了—系列的同心圆,这样做是为了更好地聚焦和汇聚能量。当然对于我们而言,更重要的是菲涅尔透镜成本较低廉,也更容易从日常生活中取得。接下来,为了好好利用1000瓦/每平方米的能量(没错,就是你家后院里免费的太阳光),总的来说,我们的思路是:拥有了大菲涅尔透镜的镜片之后,建造一个能让它直立起来的框架,使它能与太阳光线保持一定角度,然后再更进一步尝试着将光线校准成一道直射的光束。好了,下面就让我们开始具体的步骤,甩开膀子开干!
步骤1 获取镜片
首先,我们需要弄到一个足够大的菲涅尔透镜。同大多数DIY一样,我们有两种选择:废物利用和自行购买。为了省省钱包,建议各位还是从废旧电视机入手,最好是背投式。一般的背投式电视机屏幕都有以下两层结构:外侧的透光层和内侧的菲涅尔透镜。因此当你找到了自己满意的电视屏幕之后,就得将它们分层剥离开来,然后取出宝贵的菲涅尔透镜。欣赏一下自己的战利品,然后将电视机的尸体妥当地处理掉吧。当然菲涅尔透镜的成品也能在网上找到,不过那就得花上你几百大洋了,要求不用太高,国产的即可。
步骤2 建造一个框架
所需材料:
为了让镜片发挥作用,我们必须使得它处于一个既稳定的位置。所以我们得建造一个框架,基本上就是一个大型画框或相框,它还可以防止镜片被弯曲或者裂开。
开槽
开槽的目的是确保镜片正确安置在框架里,槽的大小视具体的镜片大小而定,总之要使镜片可以嵌入槽内。同时还要注意控制台锯锯齿的高度,最终我只开了1厘米左右的槽,刚刚好。
切割框架
开过槽之后,你就需要按照镜片的尺寸来切割木料,使得它们能够容纳镜片的长度。确保镜片槽都开在内侧,准确测量边长之后,就按照45度角来切割转角处的木质边框,这样长宽两条木料就能完美地拼接在一起。
拼接
框架组件与镜片安放好之后,就开始拼接吧。我加强了木质边框的转角处,用木螺钉穿透固定了这三层,具体的固定方法大家可以自行尝试,总之要够牢靠,否则就是杯具。
要点:如果你没有台锯这种“高级设备”,还有别的办法可以开槽。比如使用多层木板拼合的方式来把镜片固定住。不过还是不建议用螺钉直接打人镜片来固定,因为镜片可能会爆裂,后果将会很凄惨。
步骤3 保护眼睛!
有人说保护眼睛有什么值得一提的,不过鉴于这玩意儿的危险程度(不夸张地说,这些镜片聚焦产生的焦点的亮度和太阳相当),我还是把它单独作为一个步骤来说。首先得佩戴你所能找到的最好的太阳镜,雪山护目镜就更好了,只有佩戴护目镜才能有效保护你的眼睛。
如果不戴护目镜的话,一开始即使直视你也不会觉得有什么不适,然而你会发现过了几秒钟之后,当你望向别处时,聚光点还会逗留在你的视野里。视网膜的中心将会变得越来越不敏感,所以当你凝视这个聚光点,它看起来可能不是那么亮。长时间下去可能受到永久损伤,然后……然后你就失明了。因此如果你决定跳过“保护眼睛”步骤,那么希望你会喜欢上布莱叶点字法……
步骤4 测量焦距
接下来,咱们缓一缓,与其继续制造设备,还不如先测量一下你的镜片的焦距。记住只有垂直照射镜面的平行光才能准确测出焦距。也就是说,光源必须是太阳光或者是激光,而且需要极其准确地照射在镜片上。除非你住在赤道上,有直射过来的阳光,否则使用太阳光来测量焦距会异常困难。在一系列失败之后,我还是决定使用激光。通过激光,我们力图找出空间中的一点,这个点是通过透镜的平行光汇聚的地方,也就是焦点。
激光的设置
为了制造我们的平行光源,你需要将你的两个激光发射器放在一本书或者其他东西的两端,这样做的目的在于,使得激光与镜面垂直,然后确保它们在同一水平面上。放置好以后就将设置好的激光器转向镜片。同时,叫别人帮忙保持镜片的直立,并使用丁字尺来保证它取得完美的垂直。好玩的是,在镜子后面的墙上,你会发现两个奇特的衍射图样。
找到焦点
要找到焦点就得不断尝试,具体来说在保持屏幕直立的情况下,来回移动屏幕,直到两个光点汇聚起来,再用卷尺测量—下光点离你的屏幕有多远。我使用的镜片焦距大约是1米左右。
步骤5 选择聚焦透镜
要想使光线更为集中,咱们还需要弄一个聚焦透镜,它会将光线弯曲成一道光束。创造一道光束的好处很明显:物体不必放在焦点中心上就能被点燃;光束可以进一步地被操纵——放大、反射、穿过一个棱柱,怎样都行;光束的能量大得如同激光。在选择合适的聚焦透镜前,先让我们来复习一下光学知识。在光学当中,镜片的聚光能力由焦距来衡量(强大的镜片有更短的焦距)。为了避免损失能量,我们需要令光线在到达焦点前就分岔开来(使用发散透镜),或者在焦点之后光线开始分散的地方将它们汇聚起来(使用汇聚透镜)。不过在这里为了使能量集中,我们还是选用汇聚透镜的方式来聚焦。
当两个镜片相隔较远时,我们以几何平面来考虑这个问题:聚焦透镜必须有足够强大的
步骤6建造支架
现在我们已经有了一组镜片,还需要设计一个支架来在合适的地方安置它们。经过一阵纠结,我发现其实最简单的方法是使用细木桩和胶合板来拼接一个。
基本架构
这里我还是不过多纠缠于细节了,这种木工活大家多少都有经验。我首先切割木料,取得合适的长度和角度,接着拼接侧面,聚光能力,也就是说,其焦距必须足够短,所以当光线从菲涅尔透镜的焦点后部开始扩散时,能全部被第二个透镜截获到。
具体到比例关系上,如果第二个透镜的焦距为fB,dA和fA分别是你的菲涅尔透镜的直径和焦距,那么透镜的直径必须达到dB=fB(dA/fA)。通过不断来回地移动第二块镜片进行测试,最终我选择的是焦距为35mm的透镜。
说到透镜的来处,你同样可以在网上很多地方找到。稍微大点的镜片更合适,因为通常大菲涅尔透镜制造的聚光点都不小(3-5cm宽),所以你至少需要一个5cm的透镜以便截获全部的光线。必须要提一下的是,千万不要找塑料玻璃材料的透镜,脆弱的塑料玻 璃可没办法应对这种强度的光线。
然后再切割取用废旧的胶合板用以支撑,最后将所有的部件组接到一块儿。我使用了两个直角托架将撑板和横梁连起来,最后拼接成为镜片的支架。
找到重心
为了找到整个支架的重心(应该是在厚木板的中心线上),你得和一个朋友抓住木板的两端,看看哪个点会取得平衡。最后,在仿选择的点上钻个大小合适的孔(取决于下一个步骤中的螺栓大小)。
步骤7建造支撑底座
支架虽然建好了,可是我们还需要将镜片朝向太阳并调整角度。为了实现这个目的,我们想出了一个非常简单、坚固的底座方案。
设计
你从图中可以看到基本的设计方案,厚木板使用方头螺栓接合在一起。首先要在第一部分上钻孔(直径需和螺钉头一样宽),再在第二部分上钻导向孔(让螺纹部分能嵌入其中)。记得将木螺钉一点一点地钻进去。它们接合得非常紧,只要少量这样的固定装置就可以牢固地把所有的部分组合在一起。不过你首先得准确测量支架的宽度,底座需要略宽一些,多出的宽度可以用垫片处理。
固定支架
按照做好的设计图,在支架的顶部打洞,插入合适的垫片、垫圈、机身螺栓和螺帽。接着再使用扳手,将整根螺栓牢牢地嵌入支架当中,支架就被固定起来了。
步骤8封装透镜
很明显,我们的“死亡光线”还缺少一些东西,为了得到好的效果,需要对聚焦透镜进行封装。如果将镜片转向,垂直面向太阳光,就会在胶合板上看到一个明显的聚光点。这样做完之后,我们就知道该在何处放置聚焦透镜了。最容易的方法是,将聚焦透镜安置在一个镜筒的尾端,镜筒需要5cm宽。然后校准光线,使它们聚集成一道更小的光束。
准备镜筒
我们大体上需要两个镜简,这两个镜筒得相互嵌套,里面的那个可以拉近和推远,而且要有在一个固定位置上保持静止的能力。我最终想到了一个完美的解决方案:5cm的PVC伸缩接头。它由两根管道组成,内侧的管带有许多的硅酮润滑油(有润滑
所需材料:
油就是好用……),可以轻松地滑入滑出,并且我的聚焦透镜刚好可以插进去。但是我们还需要对PVC接头做一下处理,内侧的镜筒上有轮圈状突起,可以用来放置镜片。使用斜锯或弓锯,稍稍处理一下,镜片就能放上去了。
准备粘合剂
在尝试中我发现,只要不小心碰了一下镜简,镜片就掉了出来。所以我决定用粘合剂把镜片粘在里面。事实证明环氧树脂类粘合剂是一个不错的选择,只需要把它们均匀涂抹在镜片周围起固定作用就行。
步骤9安装封装好的透镜
瞄准
在安装聚焦透镜之前,首先我们要瞄准太阳。瞄准太阳的一个简单方法是,转动设备直到它在地面上的投影和支架平行(如果地面是平的话),这意味着太阳此时就在正前方的方向上。然后旋转一下,镜片角度合适的时候,就能在支架上发现一个明亮的光点。如果这个点不是在胶合板横梁的中部,就说明没有正确地对准太阳。
透镜安装
确定了聚光点以后,我将镜筒封进了一个胶合板制成的盒子里。这个盒子使用的便是之前剩下的厚木板。记得把镜筒牢牢压紧,不过也不要太大力把镜筒给压坏了。当然也可以视情况采取其他的安装方式,总之要保证透镜足够稳定。
步骤10释放威力吧!
通过不断地测试和调整,我终于可以用“死亡光线”来尝试一下毁灭的乐趣了!受网上流传的相似的菲涅尔透镜实验的启发,我决定尝试融化硬币。即使测试的时候是在冬至日,我还是发现,放在焦点上的锌币,不到一分钟就融化了……铜币没有融化,但要是在夏天可就不一定了。要知道铜的熔点在1000度左右,锌则为400度左右。接下来我又尝试了其他各种硬币,残缺程度各有不同,总之还是让人很有成就感!
结论
很明显,1平方米左右的大菲涅尔透镜是非常强大的武器,虽然咱们没办法自己制造电磁炮或者军用激光,但这个设备已经足够让我们自嗨了。利用这组透镜理论上就可以在1平方米的大小上集中1200W的能量。当然,由于我们测试的时间和所处纬度都不够理想,所以只发挥了很小的部分。但是这些能量仍然轻松地融化了一些固态金属,并且使镍达到了非常酷炫的红热状态。要是在夏天的话,咩哈哈哈哈哈!。