微觀彩虹實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

練海燕

課堂上再現(xiàn)“彩虹”的方式有很多，但是筆者分析后發(fā)現(xiàn)，利用傳統(tǒng)的方式（噴霧及三棱鏡，如圖1）再現(xiàn)彩虹，在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)及探究上都會(huì)有很大的限制：上課時(shí)必須得陽光充裕;“彩虹”出現(xiàn)的時(shí)間很短，很難讓所有學(xué)生看清楚，而且不能很好地做到邊示范邊講課;實(shí)驗(yàn)過程只有折射，“彩虹”多以直線的形式存在，與真實(shí)的彩虹不一致，不能很好地模擬自然界中真實(shí)存在的彩虹。

針對(duì)上述限制，筆者找到了突破口，設(shè)計(jì)了一套微觀彩虹實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)設(shè)了自然界中彩虹形成的兩個(gè)必要條件：白色強(qiáng)光;白光完成折射和反射。

主要材料

LED白光手電筒、能調(diào)整角度的底座、不同規(guī)格的無色玻璃球、支架、光屏等。

實(shí)驗(yàn)制作

1.取兩張大小為45 cm×50 cm的有機(jī)玻璃板，其中一張裝上支架，作為模擬天空的光屏支架，另一張作為底板。

2.選取一張50 cm×110 cm的白色KT版作為模擬天空的光屏，固定在支架上，調(diào)整其與底板的夾角為60°。

3.在有機(jī)玻璃底板上安裝導(dǎo)軌以及玻璃球支架，在固定面板的兩個(gè)邊角處打上小孔，方便更改支撐不同規(guī)格玻璃球的面板（如圖2）。

4.在兩導(dǎo)軌靠近光屏一端的中間安裝帶LED白光燈的支架。

5.選取直徑分別為10 cm（8 cm、6 cm）的玻璃球來模擬水珠，相應(yīng)地，切割出邊長為18 cm的正方形面板，在面板中心打上直徑為8 cm（6 cm、4 cm）的圓孔來支撐玻璃球（如圖3），中心圓孔直徑為8 cm的支撐面板已經(jīng)固定在支架上，接著在中心圓孔為6 cm、4 cm的支撐面板的兩個(gè)邊角處安裝上螺絲，只需要把面板的螺絲扣進(jìn)已經(jīng)固定的中心圓孔直徑為8 cm的支撐面板的兩個(gè)小孔處，便可以用來支撐相應(yīng)規(guī)格的玻璃球。

6.在玻璃球支撐面板上固定直徑為10 cm的玻璃球，組裝好“微觀彩虹”裝置。裝置的結(jié)構(gòu)與詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖4。

使用方法

1.利用LED白光燈代替低角度射入的太陽光，在玻璃球中實(shí)現(xiàn)兩次折射和一次反射，模擬真實(shí)彩虹形成的全過程，并在屏幕上形成色散，制造出在原理和外觀上都很接近自然的圓弧形“彩虹”，放大了小水珠形成彩虹的微觀過程。沿著導(dǎo)軌移動(dòng)玻璃球，調(diào)節(jié)玻璃球與光源以及屏幕之間的距離，當(dāng)屏幕的傾斜角度為60°，屏幕與手電筒支架之間的距離為14 cm，LED白色強(qiáng)光燈以40°仰角射入玻璃球中，入射光與玻璃球中心的距離為9.5 cm時(shí)，“彩虹”的效果最佳（如圖5）。

2.再現(xiàn)自然界中的雙彩虹（霓虹），通過調(diào)整入射光的角度，使光在玻璃球中分別經(jīng)過兩次折射和一次反射后形成“主虹”（正彩虹）。當(dāng)光在玻璃球中經(jīng)過兩次折射和兩次反射時(shí)，就會(huì)形成“副虹”（霓）。調(diào)整LED白光燈支架，使其與光屏的距離為17 cm，入射光與玻璃球中心的距離為7.5 cm，即可在光屏上再現(xiàn)“雙彩虹”（如圖6）。

3.換用不同規(guī)格的玻璃球做實(shí)驗(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)形成的“彩虹”效果有所不同，以此模擬自然界中水滴的大小不同時(shí)，所觀察到的彩虹差異（如圖7）。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新與改進(jìn)突破了傳統(tǒng)再現(xiàn)“彩虹”實(shí)驗(yàn)存在的弊端，并且取材方便，操作簡便，效果明顯。一套裝置就可以完成本課中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，大大提高了課堂的效率。具體來說，有以下優(yōu)點(diǎn)：

突破了天氣這一不確定的因素對(duì)課堂教學(xué)的限制，可以輕易地在教室中再現(xiàn)“彩虹”以及研究光的顏色，實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到百分之百。

再現(xiàn)的“彩虹”不管是在原理上，還是在外觀上都與自然界中的彩虹很相近，從而讓學(xué)生更好地理解彩虹形成的過程。

再現(xiàn)“雙彩虹”（霓虹）。雖然霓虹總是同時(shí)存在，但是由于每次反射均會(huì)損失一些能量，因此霓的光亮度較弱，這樣看見霓虹的機(jī)會(huì)就變得可遇不可求。利用本套實(shí)驗(yàn)裝置，我們只需要調(diào)整入射光的角度，就可以同時(shí)再現(xiàn)“霓虹”，讓學(xué)生看見難得的“霓虹”同屏的現(xiàn)象。