彩虹光路演示仪的设计

吴清周 黄妙琼

(东莞市南城中学 广东 东莞 523000)

1 引言

彩虹是我们日常生活中比较常见的一种自然现象，由于初中物理课程标准对这个知识点要求并不高，所以大部分初中生仅仅了解光的色散是彩虹形成的基本原理，对于彩虹形成的实际光路并没有深入地学习．经过调查研究，笔者发现实际教学中彩虹演示仪大多采用三棱镜色散、喷雾法、细小玻璃珠示范法来演示彩虹现象，不仅教具的演示效果不明显而且没有对彩虹形成的色散光路进行演示，无法消除学生错误的前概念．

笔者设计的彩虹光路演示仪可以十分方便地演示彩虹现象，并且借助激光的辅助可以清晰地展示出白光在树脂球内部色散的实际光路，帮助学生正确理解彩虹的形成原理．

2 彩虹形成原理

夏天的雨后，斜阳复出，平行的太阳光照射弥漫在空中的小水珠．光线从空气折射进入小水珠，然后在水珠背面发生镜面反射，再从水珠折射回空气中．由于不同频率的色光在同一介质中传播的速度不一样，太阳光色散成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7种色光，如图1所示．由于自然界中没有巨大的光屏来承接7种色光以及太阳光线是具有一定的方向性的平行光，所以观察者需要背对阳光并向与太阳光线成42°的方向望去，7种色光入射至人眼中，方可观察到彩虹．

图1 彩虹色散光路

小水珠呈球状，实际上彩虹的形状应该是圆环状的．但在日常生活中，大部分学生观察到的彩虹都是拱形的，学生普遍对彩虹的形状存在错误的前概念．太阳光线从高空斜入射空气中的小水珠，在小水珠中发生两次折射以及一次反射后出射空气中，由于小水珠为对称的球体，所以出射的色散光线呈圆环状分布，如图2所示.入射球形水珠下半部分白光对应的上半圆环形色散光线出射到高空中，上半部分白光对应的下半圆环形色散光线出射到地面，如图3所示．

图2 圆环状色散光谱

由于人们一般在地面上观察彩虹，所以只有出射到地面的色散光线才能入射到人眼中，而出射到高空的色散光线无法入射到人眼，所以人观察到的彩虹为拱形的；如果人站在高空中进行观察，将会看到完整的圆环状彩虹．人眼观察到的彩虹光谱一般是上红下紫，因为人的眼睛总认为入射眼球的光线是直线传播而来的，所以我们将下半圆环的色散光线反向延长后，便会出现人眼看到的彩虹光谱，如图3所示．

图3 彩虹光谱的形成

3 实验装置

笔者设计的彩虹光路演示仪(图4)主要由平行光照明系统，透明树脂球，光屏，波长分别为655 nm和405 nm的红、蓝激光模组等4大部分组成．

图4 彩虹光路演示仪

平行光照明系统主要由XLamp XHP-50LED灯珠模组以及直径76 mm，焦距150 mm的凸透镜组成．大功率的LED灯珠在正常工作时发热量较大，LED灯珠模组需安装原厂标配的散热灯罩，并且在灯罩的镜面内壁粘贴一层能吸收光线的黑卡纸，如图5(a)所示，防止内壁反射光线干扰平行光的形成．如图5(b)所示，在灯罩的出光口上，固定一个直径为77 mm的黑色塑料圆筒，方便固定凸透镜的同时也能够吸收多余的射光．将一张白色的卡纸卷成直径为76 mm的纸筒，把凸透镜固定在白色纸筒中的一侧，如图5(c)所示，再将安装有凸透镜的白色纸筒套进黑色塑料圆筒中，如图5(d)所示，凸透镜将LED灯珠发出的白光射光汇聚为平行光，模拟出太阳光线．

图5 平行光照明系统

在平行光照明系统与树脂球之间固定一块竖直的木板作为光屏，如图6所示，在木板的中心位置挖空一个直径为10 cm的圆，并在水平距离圆心8 cm的附近再挖空一个规格为4 cm×1.4 cm的矩形，让平行光能穿过光屏照射树脂球，也方便固定直径为3 cm的红、蓝激光模组的激光发射器．

图6 光屏的背面与正面

为了能展示出完整的彩虹圆环，需要将平行光照明系统的出光口与树脂球对齐放置并分别固定在3根长木柱上，保证彩虹的下半部分圆环能完整地显示在白色光屏的下方(如图4主视图所示)．

利用光在均匀介质中沿直线传播的原理来固定激光的光路．先打开平行光照明系统的电源，让彩虹光路演示仪产生的彩虹圆环投射在光屏上，分别在光屏的矩形缺口上记录波长为655 nm和405 nm两种色光圆环A和B的准确位置，并同时在树脂球上记录好两种色光对应的出射点C和D．关闭平行光照明系统的电源，打开波长为655 nm激光模组的电源，将激光发射器固定在光屏的矩形缺口上，使出射口中心与光屏上对应的圆环A重合，再调节激光发射器的指向，使激光准确地入射树脂球上对应的记录点C，确保了波长为655 nm激光入射树脂球的传播光路与相同波长的彩虹色光出射树脂球的光路重合．依据另外的两个记录点B和D来固定405 nm激光发射器后，只有当从树脂球出射的两束激光的光路能重叠在一起，两个激光发射器才准确安装完成．本套装置不仅可以演示彩虹现象，还能演示形成彩虹的色散光路．

4 演示方法

4.1 演示彩虹现象

打开平行光照明系统的电源开关，调节物距，使平行光出射照亮树脂球，模拟太阳光照射水滴发生色散产生彩虹的过程，如图7所示．光屏会承接从树脂球折射出来的7种色光，通过观察光屏，可以发现光屏上出现彩虹光谱的现象，如图8所示．

图7 打开平行光光源，照射树脂球

图8 光屏上出现彩虹

由于照明系统发出的平行光光强较强，所以即使是白天，光屏上的彩虹现象也清晰可见，不需在暗室环境下进行观察，如图9和图10所示．

图9 彩虹色环

图10 彩虹色环(放大)

通电后的LED灯珠相当于点光源，发射出白色的射光．白色的射光通过凸透镜的汇聚作用变成白色的平行光，模拟太阳产生的平行光．将白色的平行光照射透明的树脂球后，平行光在树脂球内先发生一次折射再发生一次反射，最后折射回空气中，白色的平行光在树脂球内传播的过程中色散成7种色光．7种色光被光源与树脂球之间的白色光屏承接，通过观察光屏便可以观察到圆环状的彩虹以及清晰的彩虹光谱，如图11所示．

图11 彩虹形成原理图

4.2 演示彩虹形成的色散光路

关闭平行光照明系统的电源开关，并用白色的卡片遮蔽平行光照明系统的出光口(由于激光模组的功率较大，防止激光透过凸透镜汇聚烧坏LED灯珠)．打开红色与紫色激光的电源，让激光分别沿着预先固定好的光路入射树脂球，两束激光在树脂球内传播的路径与白光色散的传播路径恰好重合，如图12和图13所示．

图12 激光入射树脂球

图13 模拟白光色散光路

两束激光入射树脂球的方向与彩虹的红、蓝两种色光出射空气的方向完全相反，所以两束激光逆着两种色光的传播路径传播，并最终重合于平行凸透镜主光轴的同一直线上，原理图如图14所示．根据光路可逆的原理，两束激光在树脂球中的传播路径便是红、紫两种色光在树脂球中传播的路径，装置模拟出白光在树脂球中色散的光路．

图14 激光传播原理图

5 结束语

对于初中学生而言，他们见到彩虹的次数很多，但对形成的基本原理和它的光路知道的不多.笔者借助于激光辅助，清晰地展示出白光在树脂球内部色散的实际光路，帮助学生弄懂了彩虹形成的原理.

本教具操作简单，可靠性、稳定性高，很大程度上避免了教学失误；演示彩虹现象以及色散光路明显，不需要在暗室中观察，演示效果显著；教具规格适中，制作材料易得，制作成本较低，方便进行推广和普及．