光的色散和彩虹實(shí)驗(yàn)

徐雙華

1665年，英國(guó)物理學(xué)家牛頓首次發(fā)現(xiàn)：太陽(yáng)光通過三棱鏡后，分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七色，并稱這種現(xiàn)象為光的色散。光的色散的物理本質(zhì)是白光經(jīng)玻璃二次折射和一次反射。因此，色散現(xiàn)象跟玻璃的折射率與入射光波長(zhǎng)有關(guān)?，F(xiàn)在，我們不通過玻璃三棱鏡也可以做做光的色散及彩虹實(shí)驗(yàn)。

光的色散實(shí)驗(yàn)一：取一只200毫升無(wú)色玻璃燒杯，洗凈后倒入1/3容積的清水。另取一塊面積為3×3cm²平整的鏡子，斜擱于燒杯壁上，與杯底成30°～60°角。將燒杯置于陽(yáng)光射入的靠窗口桌子上。當(dāng)陽(yáng)光射至杯內(nèi)鏡面上時(shí)。由于水與鏡面構(gòu)成了一只水棱鏡。反射后，在白墻上能清晰觀察到有規(guī)則的七色彩帶，如下圖所示：

如果鏡面不平整，那么白墻上就會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的五彩繽紛的花紋。

光的色散實(shí)驗(yàn)二：取一只500毫升無(wú)色玻璃燒杯，洗凈后倒入1/3容積的清水。將燒杯置于陽(yáng)光射入的窗口旁，手提燒杯，杯下墊放一張白紙。當(dāng)太陽(yáng)光經(jīng)燒杯中的水后投到白紙上。就可清晰地顯現(xiàn)圓弧形彩色條紋，并呈有規(guī)則地排列。圓弧最外層為紅色，最內(nèi)層為紫色。圓弧的大小隨燒杯與白紙間距離大小而變化，如下圖所示：

光的色散表現(xiàn)在自然界中就是彩虹。彩虹是陽(yáng)光射到空中的水滴里發(fā)生反射和折射而形成的。雨后，空氣里充滿無(wú)數(shù)小水珠，它們都相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小棱鏡。當(dāng)太陽(yáng)光射到這些小水珠上，經(jīng)過兩次折射和一次反射，便發(fā)生色散現(xiàn)象，如下圖所示：

下面介紹幾種用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)再現(xiàn)彩虹的方法。

彩虹實(shí)驗(yàn)一：噴霧成虹

用嘴含一口冷開水，背對(duì)太陽(yáng)，噴霧成虹。但這樣形成的彩虹轉(zhuǎn)瞬即逝。為此，我們還可取一根帶尖嘴(尖嘴內(nèi)徑約0.6毫米)的玻璃管，用橡皮管與水龍頭相連。打開水龍頭則能在空間形成一拋物狀噴泉，這股連續(xù)噴泉在其周圍形成無(wú)數(shù)小水珠。只要人們背對(duì)太陽(yáng)，就能觀察到美麗的人造彩虹。

彩虹實(shí)驗(yàn)：圓環(huán)虹實(shí)驗(yàn)

取一只直徑約8厘米的無(wú)色透明，薄壁球形燒瓶，洗凈后盛滿清水，并將其固定。另取一塊面積約50×50厘米²的三夾板，中央鉆一直徑約4厘米小孔，邊緣用砂紙打光滑，將其置于球形瓶前約數(shù)厘米處，圓孔對(duì)準(zhǔn)瓶。且在靠瓶一面上糊以白紙；再取一面3×3厘米²鏡子，斜放于靠窗口處。一且太陽(yáng)光射至鏡子后，其反射光正好穿過三夾板中心圓孔，射至球形燒瓶，這時(shí)可觀察到：經(jīng)球形燒瓶反射出落在三夾板白紙面上的圓環(huán)形彩虹。外圈為紅光，內(nèi)圈為紫光。很誘人，如下圖所示：

模擬彩虹實(shí)驗(yàn)三：

找一張吸水性較好的紙條，用黑墨水在紙條的下方濃濃地畫一條線，然后把紙條豎置在有水的碟子里(注意不能讓水沒過那條線)。一段時(shí)間后，我們就會(huì)看見紙條上出現(xiàn)了一道比較寬的、由各種顏色組成的彩色條紋。