《物理马戏团》是吉尔·沃克最知名的著作，已经译成十多种语言，风行世界三十多年，仍持续受到广大读者的欢迎，是物理迷们的顶级手册。《物理马戏团(光学电磁学和视觉问题)》共三章节，内容包括让你目光如炬的光学问题、让你目光如炬的电磁学问题、让你目光如炬的视觉问题。本书给供物理爱好者阅读参考。

空中的浮沉有多危险？为什么车子的雾灯是黄颜色的？冰能点火吗？是什么让蒙娜丽莎的微笑如此迷人？

物理并不是那些必须在物理教室里才能解决的问题。物理现象和物理问题每天都在发生，且与我们生活、工作、恋爱、甚至生老病死息息相关。希望《物理马戏团(光学电磁学和视觉问题)》（作者吉尔·沃克）能唤起你对物理的兴趣，找到你自己世界的物理马戏团。当你在做饭、搭飞机或只是懒洋洋地趟在小溪边，却开始思索物理问题时用到《物理马戏团(光学电磁学和视觉问题)》就值得了。总而言之，请各位以发掘趣味的心情来面对这些问题。

第一章 让你目光如炬的光学问题

1.1 闪电002

1.2 闪电与人、牛、羊005

1.3 闪电与飞行器009

1.4 闪电与树、塔、地面011

1.5 念珠闪电和球状闪电012

1.6 精灵014

1.7 避雷针015

1.8 毛衣、滑梯、手术室017

1.9 汽车、燃油泵与进站加油020

1.10 交换口香糖也骇人023

1.11 空中的浮尘很危险024

1.12 来自喷雾罐的危险025

1.13 雾化水带来的危险026

1.14 滑雪辉光027

1.15 “兴登堡号”灾难028

1.16 轮床火030

1.17 剥离黏胶带发光031

1.18 香菜、鼠尾草、迷迭香、百里香033

1.19 冬青在壁橱中发光036

1.20 地震光038

1.21 圣艾尔摩之火和安第斯辉光038

1.22 高压线039

1.23 电流、电压与人042

1.24 轻率的行为044

1.25 手术中利用电流045

1.26 手术火灾和爆炸047

1.27 柠檬电池，补牙时的刺痛049

1.28 电鱼和鳗鲡051

1.29 吹动灰尘、沙和雪而带电053

1.30 火山上方类似闪电的放电055

1.31 手术中的细菌污染056

1.32 蜜蜂和花粉058

1.33 火蚂蚁和电气设备060

1.34 食品的塑料包装061

1.35 天花板上的苍蝇与墙壁上的壁虎062

1.36 酥皮馅饼063

1.37 蛋黄酱065

1.38 天然磁石067

1.39 地球磁场和考古学068

1.40 磁共振成像并发症070

1.41 磁场寻找加菲尔德子弹073

1.42 磁铁、纹身和身体饰品074

1.43 早餐和牛的磁学075

1.44 电吉他076

1.45 电吉他放大器077

1.46 极光079

1.47 太阳爆发和停电080

1.48 悬浮青蛙083

1.49 磁铁发出的嘶嘶声084

1.50 在火车站里你体内的电流085

第二章 让你目光如炬的电磁学问题

2.1 彩虹088

2.2 奇怪的彩虹 092

2.3 人造彩虹095

2.4 白天的天空不是黑暗的096

2.5 天空的颜色098

2.6 蓝山、白山和红云100

2.7 水手的警告102

2.8 日落和火山102

2.9 主教的戒指103

2.10 颜色不一的云104

2.11 日食的时候天空是什么颜色的105

2.12 当天空变绿时候，要到地窖里106

2.13 使天空变得更蓝些107

2.14 为什么在玫瑰色的边界上会出现黑色的板块108

2.15 明亮的轴和黑暗的轴划过天空109

2.16 蓝色的霾、红色的霾和棕色的霾110

2.17 远处城市的光112

2.18 地平线离我们有多远112

2.19 多云的天空是什么颜色的113

2.20 天空的地图114

2.21 明亮的雪后114

2.22 在探照灯的后面115

2.23 纽格兰奇石墓的冬至光116

2.24 绿色的闪光116

2.25 扭曲的太阳影像118

2.26 月食时候出现的红月119

2.27 像皇冠一样闪闪发光的云121

2.28 海市蜃楼121

2.29 墙面幻影123

2.30 大水怪、人鱼和大规模海市蜃楼 124

2.31 出现在花丛中的幽灵128

2.32 晃动的空气和闪烁的星星129

2.33 影带131

2.34 22°光圈和幻日132

2.35 天空中充满了光圈, 光弧和光点134

2.36 山的阴影136

2.37 消失的云影137

2.38 海水的颜色139

2.39 太阳和月亮的反射光140

2.40 光环141

2.41 水中的阴影和颜色142

2.42 你的影子的颜色145

2.43 观察月亮的暗处146

2.44 光环和逆射阳光146

2.45 庄稼地里的浪151

2.46 荣光152

2.47 日月晕154

2.48 霜冻的玻璃上产生的光晕155

2.49 彩虹色的云156

2.50 蓝色的月亮157

2.51 黄色的雾灯158

2.52 湿了会变黑158

2.53 雪和冰的颜色160

2.54 冰镜效应和雪光161

2.55 临时性失明和雪盲症163

2.56 黄色的滑雪眼镜164

2.57 什么时候冰会变黑165

2.58 白云和乌云166

2.59 夜间可见的云167

2.60 镜子中的你168

2.61 水中的倒影和舞台镜169

2.62 派博的鬼魂和无下体的头172

2.63 倾斜的窗户与空中交通管制员173

2.64 若干个镜子前的影像174

2.65 万花筒176

2.66 镜子迷宫179

2.67 杂耍激光射击180

2.68 装饰物的黑三角182

2.69 发光变暗，越来越暗183

2.70 回射器185

2.71 在敌后的黑暗着陆187

2.72 单向镜188

2.73 后视镜189

2.74 侧视镜190

2.75 酒吧女侍191

2.76 文艺复兴和光学的投影机192

2.77 变形艺术193

2.78 街灯的光和暗194

2.79 来自双层玻璃的多重影像195

2.80 世界上最强大的探照灯196

2.81 阿基米德的死亡光线197

2.82 焚烧裁判199

2.83 来自墓地的鬼光200

2.84 渔夫从一条鱼里看到的201

2.85 鱼眼中的渔夫是怎样的？203

2.86 透过信封读信205

2.87 吞剑者和食镜管术207

2.88 浴室门的光学问题208

2.89 回收魔术210

2.90 隐形人和透明动物211

2.91 弯曲的道路214

2.92 浇灌植物215

2.93 冰能点火216

2.94 钻石217

2.95 猫眼石218

2.96 紫翠玉作用220

2.97 星彩蓝宝石221

2.98 酒杯、窗子和水滴呈现的图案221

2.99 带有亮边的影子224

2.100 在机翼上的光明与黑暗的交换频率226

2.101 来自超音速车的冲击波228

2.102 针孔照相机和摄像头229

2.103 树下的太阳影像231

2.104 透过屏幕的光，指间的线232

2.105 亮痕和有颜色的网234

2.106 挡风玻璃上的明亮条纹237

2.107 唱片的反射240

2.108 在精心雕刻的物体表面上的发射242

2.109 防伪：光变设备243

2.110 从布满水汽或者灰尘的镜子上看到的彩色光环245

2.111 水中牛奶的颜色247

2.112 篝火烟雾的颜色249

2.113 欧索效应249

2.114 浮油、肥皂薄膜及金属炊具的彩色251

2.115 昆虫、鱼类、鸟类和猴子屁股的结构性色彩255

2.116 珍珠259

2.117 昆虫的眼睛和隐形飞机的突起260

2.118 荧光植物262

2.119 防伪：改变颜色的墨水264

2.120 花瓣的颜色饱和性265

2.121 白杨树的黄色光辉266

2.122 眼睛的颜色267

2.123 太冷了，我要变成蓝色268

2.124 散斑模式270

2.125 荧光中的颜色273

2.126 极化太阳镜274

2.127 天空极化276

2.128 蚂蚁的导航280

2.129 颜色、光斑和极化281

2.130 无色的泡沫和碾碎的粉284

2.131 有光泽的黑色天鹅绒和有光泽的漆285

2.132 绿色的玻璃和绿色的天鹅绒286

2.133 桃色的皮肤和明显的柔软288

2.134 凡士林聚会289

2.135 肉的颜色290

2.136 短啤酒291

2.137 “比白色更白”292

2.138 消失的硬币293

2.139 太阳镜和烟雾294

2.140 海洋的光亮295

2.141 海平面上的蓝丝带296

2.142 傍晚的降临297

2.143 多彩的凝结尾298

2.144 珍珠般的云彩298

2.145 晚霞299

2.146 空中的涟漪300

2.147 远处雨的交替线301

2.148 光亮的夜晚302

2.149 黄道光、对日照、夜光302

2.150 海平面的反射304

2.151 用一个金属球去聚光305

2.152 弯曲镜子中的快速转动306

2.153 烟头上烟的颜色307

2.154 如果你能看到紫外光308

2.155 衍射字母309

2.156 反射游戏309

第三章 让你目光如炬的视觉问题

3.1 将月亮变大312

3.2 天空的形状313

3.3 利用盲区“斩首”314

3.4 早晨灰色的网格、白天时髦的眼镜316

3.5 眼睛中的漂浮物，以及其他的亮点318

3.6 路灯的光圈、蜡烛的光辉、星星的影像320

3.7 幻视——幻象的产生322

3.8 嗡鸣声作为频闪器324

3.9 看到棒球的飞行326

3.10 印象主义328

3.11 点画派绘画作品329

3.12 莫尔条纹330

3.13 光效应绘画艺术332

3.14 油画中的深度334

3.15 黑暗中阅读335

3.16 被拖行的鬼影337

3.17 反射眼338

3.18 人类、企鹅和鳄鱼的水下视力340

3.19 四只眼睛的鱼的水下视觉342

3.20 柴郡猫效应343

3.21 犀牛光学效应344

3.22 飞翔的云和蓝色的小鬼345

3.23 “普尔弗里希”幻觉346

3.24 路灯的延迟顺序349

3.25 马赫带350

3.26 倒置的世界352

3.27 倒置的阴影，水泡效应353

3.28 圣诞树彩球的奇特反光355

3.29 旋转随机点图样356

3.30 电视机的雪花图像357

3.31 蒙娜丽莎的微笑359

3.32 电视机里的鬼影360

3.33 从针孔中阅读361

3.34 手指的颜色362

3.35 在白天可以通过一个长管子看到星星363

3.36 天文观测者眼睛的移动364

3.37 宇航员能看到的地球上的物体365

3.38 蜜蜂、沙蚁和偏振光366

3.39 海丁格内视刷367

3.40 影子的颜色370

3.41 太阳镜的安全性371

3.42 鱼眼球372

3.43 红色和蓝色标志牌的厚度374

3.44 浦肯野蓝弧376

3.45 麦克斯韦光斑378

3.46 视觉感受辐射379

3.47 控制板上的红光381

3.48 超人的x光视觉381

3.49 烟花幻觉382

3.50 凝视天花板383

1.1闪电

闪电是由什么引起的？为什么雷声和闪光会出现？既然我们可以从很远的地方看到闪电，那么闪电是不是覆盖了很大的范围？

答案：闪电是云和地面之间强烈的放电现象。虽然现在人们已经可以计算和测量这种放电的细节，但是时至今日，人们仍然还没有完全理解云为什么会带有大量电荷，以及触发闪电现象的根本原因。目前对云带电的标准解释是，冰雹和更小的冰晶之间的碰撞，导致冰晶向冰雹转移了电子，这些电子最终降落到云层底部。使电子携带负电荷，因此，云层底部带负电，而云层顶部失去了这些电子，带正电荷。同时，也有少量正电荷存在于底部附近。

地面通常拥有大量可以自由移动的电子，但是，当一个带电的云在地面的一定高度上形成，这些可以自由移动的电子会被云层底部的负电荷赶走。因此，由于失去了电子，云层正下方的地面带正电荷。地面上的这些电荷和分布在云层中的电荷使云和地面之间形成了一个强大的电场。如果这个电场超过一个临界值．分布在云层底部的电子会突然跳跃到少量正电荷所在的位置。于是开始于云层底部的放电就发生了。

然后，一个阶梯先导开辟出曲折的通路到达地面，电离原子(剥离原子的外层电子)并且把云中的一些负电荷传输给地面。这种曲折的通路太模糊以至于不容易看见，每次开辟通路的长度大约为50米(因此是阶梯形)，并且每次有很多向下的分叉。虽然从地面上观察闪电，它似乎是垂直于地面的，但是实际上闪电的路径主要是水平的。一且闪电的通路接近地面，闪电就似乎可以盯上地面上的物体，比如一棵高高的树。

电离原子的通道从这些物体向上发展。当这些向上的电子流中，有一支遇上了向下的阶梯先导，就完成了地面和云之间的导电通路，接近地面的电子在电场的作用下沿着导电路径加速向下流向地面。电子向地面的快速转移，形成沿着导电路径向上的电流，一直到接触底部云层，这一过程称为回击。因为电子被加速，它们强烈地撞击沿导电通路方向的空气分子，击出它们的电子并使得这些空气分子剧烈地运动而升高温度。由于这些热量，空气迅速膨胀而产生冲击波。这就是雷声。随着自由电子重新和空气分子结合，就产生了闪电中出现的白光。虽然闪电可以很耀眼并且拥有很大的能量，但是使这些行为发生的导电通路的直径可能连1厘米都不到。

一旦导电通路建立，云可以向下输送好几次电子流脉冲，因为更多的电子由云的其他部位向导电通路的顶部移动。在你看来，这些多重脉冲就像一闪一闪的闪电。如果一阵强烈的风在多重脉冲发生的时候吹过导电通路，你可能看到一条明亮的闪电带而不是一根细的闪电。

大多数的闪电包含一个向下运动的阶梯先导和一个从云指向地面的电子流。然而，向下运动的阶梯先导也可以开始在带正电荷的云层顶部区域，于是电子由地面向云转移。阶梯先导也可以开始在地面上，或者更倾向于高耸的结构，例如，一个摩天大楼，然后向上运动。向云层底部运动的阶梯先导将会向地面输送电子，而向云层顶部运动的阶梯先导将会向云层输送电子。你可以通过向上分叉的事实区分出它是向上运动的阶梯先导。蜘蛛闪电是一种美丽的闪电，它移动很缓慢，在雷暴云底部向外伸展．通常是在暴风雨的最后阶段由云和云之间的放电而产生。

1.2闪电与人、牛、羊

为什么直接被闪电击中通常会致命？为什么被闪电击中的受害者身上的鞋子或衣服有时候会被扯破？如果出现闪电的时候，一个人正巧在户外，他该如何做才能降低危险？比如，他应该躲到一棵树下面还是应该站在一个开阔的地方？这个人应该站着，还是蹲下，还是应该跑？为什么一个人的头发能竖立起来？这是一种危险的信号吗？

闪电是如何对一群人，比如，正在球场上打棒球的球员们，造成危险的？毕竟，闪电只能击中球员中的一个人，而有些时候所有的球员都被击倒。

在一场闪电风暴中，为什么牛、马、和羊会比人更加危险？

很多故事中都提到本杰明·富兰克林，他是美国著名的科学家和政治家，为了证明风暴具有电场的性质，他在雷暴即将到来的时候放飞一个风筝，为什么他没有被闪电杀死？P2-5

1968年的一个漆黑枯燥的夜晚，我的脑海中出现了“物理（飞行）马戏团”，那时我还是马里兰州大学的一名研究生。是的，事实上，对于大多数研究生来说几乎所有的夜晚都是漆黑枯燥的，但我想说的是那天晚上格外的漆黑枯燥。当时我是一名全职助教，那天早些时候我给我的一名学生莎朗出了一个测试题。她的题答得很差，最后却反过来质问我，她说：“这到底跟我今后的生活有什么关系啊？”

我跳起来对她说：“莎朗，这是物理！它跟你生活的方方面面都有关系！”

此时，她转过身子面向我，眼睛盯着我，用紧绷的声音和有节奏的语速对我说：“那你给我举出些例子。”

我想了半天一个也没想出来。学了六年物理，我竟然连一个例子都举不出来。

那天晚上我突然意识到，我面对的问题和莎朗一样：这个叫做物理的东西是人们在物理实验室里研究的，与莎朗（或者我）的现实生活却没有什么太大的关系。于是，我决定要搜集一些现实生活中的例子，而且为了吸引莎朗的注意力，我给这一系列的合集起了一个名字叫“物理（飞行）马戏团”。通过日积月累，我逐渐充实了这个合集。

很快，人们就来找我要《物理（飞行）马戏团》材料的副本了，一开始是莎朗班上的同学，然后是我的研究生同窗，接着一些老师也来要材料。在马里兰州大学的物理系把我的这份材料印制成“技术报告”后，我与“约翰威利”出版社签订了图书出版合同。

1975年，《飞行马戏团》出版了；在1977年我又进行了修订。从那以后，这本书被翻译成11种语言在世界各地出版。本书是《物理马戏团》的第二版，已经重新进行了编写和设计。

我刚开始编写《物理（飞行）马戏团》的材料的时候，只能通过一页一页地翻看几十种期刊，寻找与本书相关的论文。诚然，我那时把这件苦差事比喻成在一座贫瘠的山腹里寻找金子——这金子既稀少也难以寻得。

如今，每年有数百篇可能与《物理（飞行）马戏团》有关的文章发表，在我看来这就像是找到了一座大金矿。现在，我再也不局限于在那几十本期刊上寻找资料了；而是直接查阅400种期刊，同时用搜索引擎整理其他的几百种材料。大多数时间我只需坐在电脑前轻松地用手指敲敲键盘。我希望莎朗能够看到我找到的这些有趣的东西。通过我的这些工作，你们将会发现物理“和你的生活有千丝万缕的联系。”

物理飞行马戏团网站

请你进入www.flyingcircusofphysics.com网站查找与本书相关的内容：

超过10000篇与自然科学、工程学、数学、医学和法学有关的引用资料。这些资料根据图书种类进行分类并已标明难易程度。

物理飞行马戏团名称的由来

根据早期那些玩命飞行员令人毛骨悚然的飞行特技表演，我给最初的材料合集命名。我认为这样的飞行表演一般被人们称为“飞行马戏团”，而我也希望那些铤而走险的飞行员形象能够吸引一些人来读我的作品。

据我了解，飞行马戏团最早是指乘火车四处巡演的马戏团，后来又有一架德国飞机被人们以这个名称命名，它因飞行如马戏表演一样惊心动魄而得名，并和驾驶它的著名德国飞行员红色男爵著称于世，红色男爵在第一次世界大战期间将他的飞机涂成血红色，威慑他在空中的对手。

我采用飞行马戏团这个名字一年后，戏剧表演团蒙提派森（也称“蒙提巨蟒”）的飞行马戏团也在英国崭露头角。那年，这个名字应该已经在大西洋两岸流行起来了。（不过，“死鹦鹉”的搞笑段子可完完全全是蒙提派森原创的。）  参考书目

所有引用资料都已列入物理飞行马戏团的网站，这些资料根据图书种类进行分类并已标明难易程度。该网站包含超过10000篇引用资料。

请把你们的资料发给我

我非常希望收到读者对本书的更正、评价、新点子及各种引用资料。如果您想给我发来引用资料，希望您能发给我全文而不是缩写，还有该资料完整的页码。但如果无法做到这些，即使是一个片段也能引起我的兴趣。如果您能给我寄资料的复印件或者网址就再好不过了。

我基本上不将网址列入引用资料，因为我不能保证时时检查网站是否依然还在运营。

我是全职的老师，也是本书全职的作者，还要投入双倍的时间完成物理学基础的教科书的写作工作。我的时间真的很紧张，而且精力也有限。所以，请谅解我不能回答每一封来信和每一条留言。

关于克利夫兰州立大学

如果你想到一所可靠并且是中等规模的大学上学，那么你可以选择来坐落在俄亥俄州克里夫兰的克利夫兰州立大学（www.csuohio.edu）。我已经在这里教了30年的书了，而且还没有要隐退的打算（尽管我听说自然规律最终会让我退休）。我就是这么一个在一间小小办公室里工作，身边堆满各种研究论文，在电脑键盘上敲敲打打赶在截稿日前拼命赶稿的家伙。

关于教科书

本书适合的读者应学习过小学的初级物理或物理科学课程，如果你想配合本书阅读一些物理教科书，那么我向你们作如下推荐：

《万物如何运转：日常生活中的物理知识》，作者是路易斯A，（由约翰威利出版社出版），在介绍物理学的过程中没有辅助任何数学原理；

《物理学》，作者是约翰D卡特奈尔和肯尼斯W约翰逊（由约翰威利出版社出版），在代数知识的基础上介绍物理学；

《物理学基础》，作者是戴维哈利迪、罗伯特雷斯尼克和吉尔沃克（由约翰威利出版社出版），在微积分知识基础上介绍物理学。

致谢

我需要感谢很多人，因为每当我认为“一切希望都将破灭的时候”他们会站出来鼓励我，当然这只是其中一部分原因。另外也是因为许多人在我完全痴迷于工作和了解我“每天都要工作得像活不到明天一样！”的想法时对我的宽容。

吉尔沃克和玛莎沃克（他们是我的父母，在我还是十几岁时，他们肯定曾经度过无数个不眠的夜晚，担心我的未来），鲍勃飞利浦（我的高中数学和物理老师，是他为我开启了通往新世界的大门），费尔迪拉沃尔（他把我带进教师这一行），乔雷迪希（他在将《物理飞行马戏团》的原稿作为马里兰州大学物理系的技术报告刊发时帮了我很大的忙），费尔莫里森（他是第一个鼓励我出版飞行马戏团的人，随后还在《科学美国人》杂志上为我的书写了一篇精彩的图书评论，这也许就是我在此后的13年中一直为这本杂志写“业余科学家”专栏的原因），丹尼斯弗兰纳甘（他是《科学美国人》的编辑，是他录用了我并给予我多年的指导），唐纳德狄耐克（20世纪70年代约翰威利出版社的物理图书编辑，他给了我《物理（飞行）马戏团》的第一份合同），卡尔卡斯伯和伯纳德哈默麦希（他们为了我的写书工作着想，特意聘用我作克利夫兰州立大学的助理教授），戴维哈利迪和罗伯特雷斯尼克（是他们允许我在1990年接过《基础物理学》教科书编写的接力棒），艾德米尔曼（是他教会我如何写教科书），玛丽珍桑德斯（她是克利夫兰州立大学的校长，是她建立起了这样一个活跃的学术气氛让《物理（飞行）马戏团》得以完成，她还用批判的眼光评论了本书的许多篇手稿），斯图尔特约翰逊（约翰威利出版社的物理图书编辑，他指导我完成这本书及此后各版次的《物理学基础》），卡罗尔西泽尔（她通读了本书的手稿，并对很多内容做出了必要的修改），玛德琳莱瑟（本书的设计师），伊丽莎白斯维恩（约翰威利的图书制作编辑，负责制作编辑本书），克里斯沃克、希瑟沃克和克莱尔沃克（我长大了的孩子们，是她们容忍我痴迷于我的写作和我对她们一直以来的唠叨），帕特里克沃克（我正在成长中的孩子，他不仅容忍我常年在地下室工作，还教会了我如何在攀岩馆里对付岩壁上那些突起的小点），还有（最最重要的）玛丽格里克（我的妻子，她为本书贡献了许多好的想法，而且每次在我大喊“所有希望都破灭了！”的时候都会鼓励我继续走下去）。

物理就在：

第一次约会时；

酒吧里；

一架航班上；

洗澡和上洗手间时；

整理庭院时。