光的色散現(xiàn)象分析與實(shí)驗(yàn)光的色散現(xiàn)象分析與實(shí)驗(yàn) 雨過天晴，長虹一貫天空，七彩斑斕，坐地仰觀半圓虹，凌空俯視一圓霓，虹霓相伴，暈華爛燦，有幾分奪目，也有幾分激情，你了解這其中的奧秘嗎？原來它們都是由光的色散（或衍射）現(xiàn)象形成的。1光的色散現(xiàn)象分析 1.1光的色散規(guī)律 實(shí)驗(yàn)表明光的衍射光譜與棱鏡色散光譜有相同的色序排列．它們都是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果．衍射（或干涉）雖然也能使各單色光分開，且與色散有相同的色序，但它只是光波與光波在同一媒質(zhì)中的作用，因而不稱色散，所謂色散從廣義上說不單是光波與不同媒質(zhì)作用而分解成頻譜，同時某一物理量如折射率隨波長變化而變化才是色散的實(shí)質(zhì)。 讓一束白光（復(fù)色光）通過透明媒質(zhì)（三棱鏡）時，光在玻璃和空氣兩種媒質(zhì)分界面上發(fā)生折射而分散成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等七種不同頻率的 單色光的現(xiàn)象叫做光的色散現(xiàn)象．如圖1所示，白光從O點(diǎn)射入三棱鏡，由于玻璃對各單色光的折射率不同，而產(chǎn)生不同的折射角度，并在棱鏡的另一側(cè)面上發(fā)生第二次折射而進(jìn)入空氣到達(dá)屏上形成七色光譜．R1表示一定頻率的紅光，R2表示一定頻率的紫光，設(shè)玻璃對紅光折射率為n1，對紫光的折射率為n2，由光的折射定律 率比紫光小，在白光光譜中從紫光到紅光媒質(zhì)對各單色光的折射率隨波長的增大順次減小，折射角也順次減?。梢?，光的色散表明不同波長（顏色）的光與媒質(zhì)原子分子相互作用，致使傳播速度減小，折射率減小，即折射率n是波長 的函數(shù)，n=f（ ）．實(shí)驗(yàn)表明，折射率n隨波長 近似地按n=A＋B／ 2+C／ 4公式變化，A、B、C是 由材料性質(zhì)決定的常數(shù)，曲線如圖2所示．這是一組玻璃媒質(zhì)的色散曲線，當(dāng)波長 變化不大時，取n=A+B／ 2且兩邊求導(dǎo)得曲線的斜率dn／d =-2B／ 3，可定義為媒質(zhì)的色散率，即色散率近似地與波長的三次方成反比．由色散曲線可知，在可見光范圍內(nèi)，折射率n總是隨著波長 的增大而減??；波長越短，曲線越陡，斜率越大，色散作用越強(qiáng)；在波長一定時，不同物質(zhì)折射率越大，色散率越大，不同物質(zhì)的色散曲線沒有簡單的色散關(guān)系．當(dāng)折射率n隨波長 增大而減小時，叫正常色散，當(dāng)折射率n隨波長 減小而減小時，叫反常（特殊）色散。1.2大自然中幾種天然色散現(xiàn)象的分析 大自然中虹、霓、暈、華現(xiàn)象也是由光的色散（或衍射）現(xiàn)象形成的．大雨前后天空布滿許多微小的小水珠，這些小水珠相當(dāng)于許多小三棱鏡，當(dāng)太陽光斜照在這些小水珠上時，發(fā)生反射、折射，其中有一部分光線進(jìn)入小水珠內(nèi)部發(fā)生一次全反射后又經(jīng)一次折射回到空氣中．兩次折射使不同波長的色光滑不同方向前進(jìn)，即發(fā)生色散現(xiàn)象，如圖3所示．由于太陽光是平行光，色散光線方向就取決于太陽光照射在小水珠上的方位，只有從某一方位入射的光，出射光線才最強(qiáng)，迎著這條出射光線看去，小水珠明亮閃耀，這個方向也就是人們看到虹的方向．在其他方向上雖然也有光進(jìn)入觀察者眼簾，但太弱了，在明亮的天空中很難被看見．若把觀察者的頭和太陽連成一條直線，小水珠的內(nèi)耀方向和這條直線的夾角對紅光大約是40 ，對紫光大約是42 ，如圖4所示．其他顏色的光分布在這兩個角度之間，于是七種顏色的光同時沿各自折射方向從一個小珠中折射出來，流光溢彩．由于小水珠布滿天空，隨 云飄浮，若恰好在圓形弧帶上形成密集分布，當(dāng)太陽光沿斜上方照射時，七種不同頻率的光沿各種折射方向從這些密集的小水珠中同時折射出來，形成一個巨大的弧形彩帶，仿佛一座彩色拱橋橫貫天空，這就是人們在地面上看到的虹．色序排列為內(nèi)紫外紅；若太陽光沿斜下方照射到這些小水珠表面時，有一部分光線反回空氣，有一部分光線被折射進(jìn)入小水珠內(nèi)部，在其內(nèi)壁上經(jīng)過兩次全反射，再一次折射出來，就形 成霓．這時紅光的最大出射傾角約為50 ，紫光約為53 ，如圖5所示．紅光出射傾角比紫光小，所以霓的色序排列為內(nèi)紅外紫，與虹相反，又因霓的光線出射傾角都比虹大10 左右，所以霓總是騎在虹的頭上結(jié)伴 天空，如圖6所示．霓的光線在小水珠內(nèi)部多一次反射，光能損失多一些，所以霓比虹弱（遜色）．因而霓常常隱羞難見，只有陽光充足時才愧出天空，一展羞容．若凌空觀察還可見到圓形的霓總環(huán)繞在虹的外緣上．暈，是出現(xiàn)在太陽或月亮周圍的彩色光環(huán)，也是由于光的色散現(xiàn)象形成的．分布高空中的云層里夾雜著許多小六棱形冰晶，這些小冰晶類似許多小棱鏡，它們隨風(fēng)飄浮，若恰好環(huán)繞太陽或月亮形成密集分布時，當(dāng)受太陽或月亮光線照射時，發(fā)生色散便形成暈，暈的光線出射傾角大約是22 或46 ．日暈的色序排列為內(nèi)紅外紫，溫帶地區(qū)不易看到．月暈色序排列為內(nèi)黃外藍(lán)，色光較弱．蘇洵在《辨奸論》中就有 日暈而風(fēng)，礎(chǔ)潤而雨 的說法，農(nóng)諺中也有 日暈三更雨，月暈午時風(fēng) 之說，看來暈是風(fēng)雨的前兆．華，也是發(fā)生在高空的云層上緊貼日、月周圍的彩色光球，不過它是由于日、月光線通過一部分夾雜在云層中的微小水珠或細(xì)小冰晶產(chǎn)生衍射而形成的．華環(huán)大小和小水珠或小冰晶大小成反比，小水珠或冰晶越細(xì)小，華環(huán)則越大．其色序排列為內(nèi)紫外紅，它們常常出現(xiàn)在甚高空的卷積云，卷云或?qū)臃e云上．旭日的光輝通過山巔的濃霧由于光的色散或衍射作用也能產(chǎn)生彩色光環(huán)，有時還能在天空的霧上觀察到帶彩色邊緣的人物的影像．這是由于大氣密度的非均性，光線通過遠(yuǎn)處人物時經(jīng)大氣折射，物平面的反射而形成的．彩色鑲邊是由于反射光線遇霧珠時產(chǎn)生色散或衍射而形成的，有時也可能是觀察者自己的影像．曾被宗教學(xué)者訛稱為 佛祖顯靈，佛光普照 ．其實(shí)是大自然中天然色散形成的光學(xué)現(xiàn)象．世無佛祖，更無佛光．此外，當(dāng)朝霞斜陽通過空氣密度呈梯度分布的（海面或沙漠上空）區(qū)域時，光線沿曲線傳播，由于梯度層的折射，山川湖面的反射、全反射，散射、衍射及色散，使遠(yuǎn)處的街景樓閣呈現(xiàn)在海面或沙漠上空，從而形成海市蜃樓，有時偶爾形成連續(xù)幾個太陽．這就是近年來在山東，上海等地看到的 假日 、 蜃景 現(xiàn)象．還有一些所謂不明飛行物，也是大自然中的復(fù)雜有趣的光現(xiàn)象．可見，它們千姿百態(tài)，千奇百怪，都是光的造化．2光的色散實(shí)驗(yàn)2.1用平面鏡和水碗做色散實(shí)驗(yàn) 農(nóng)村中學(xué)，若沒有玻璃棱鏡，可用一塊平面鏡和一個水碗觀察光的色散現(xiàn)象，既簡單效果又好． 把碗放在有陽光的地方，加滿清水，將平面鏡斜放在水中，調(diào)整其傾斜角度，使照射在鏡子上的太陽光透過水反射到室內(nèi)的白墻上即可觀察到太陽光譜．如圖7所示．這是太陽光經(jīng)水面折射，再經(jīng)水中平面鏡反射，最后由水面折射回空氣形成的七色光譜，實(shí)際上就是以水為煤質(zhì)的三棱鏡產(chǎn)生的色散現(xiàn)象．2.2自制水三棱鏡做牛頓色散實(shí)驗(yàn) 用透明有機(jī)玻璃（或無色玻璃）粘制成邊長為80mm，高為200mm的兩個大小一樣的正三棱柱，在一端的交接處打一小孔注滿純凈水后用橡皮塞塞住即可．放在陽光下即可用光屏接收到彩色光譜．若按圖8牛頓方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，色散現(xiàn)象更明顯．只有P1時屏上光譜為ab，再放P2時，由于P2的色散作用，經(jīng)P1色散出來的每一條光線都將向下偏移，偏移大小與媒質(zhì)折射率有關(guān)，因此整個譜帶下移到a1b1的位置，紅端a1下移最少，紫端b1下移最多，故使a1b1呈彎曲狀．這就把棱鏡的色散作用表現(xiàn)的淋漓盡致．若改變P2的填充介質(zhì)，a1b1的偏移位置也隨之改變．還可用來觀察反常（特殊）色散． 2.3虹的實(shí)驗(yàn) 用1000W的碘鎢燈作光源，也可選擇早晨或傍晚陽光斜射到室內(nèi)的光線．準(zhǔn)備兩支帶細(xì)咀的玻璃管和裝滿清水的廣口瓶．一支玻璃管插入瓶中， 另一支對著細(xì)咀背著陽光用力吹，瓶內(nèi)水沿細(xì)咀噴出形成霧狀．只要室內(nèi)稍暗，小霧珠受燈光或陽光照射發(fā)生色散，就可看到兩條短弧形彩帶即虹，如圖9所示． 也可用取出燈芯的白熾燈泡（或圓底燒瓶）裝滿清水，模擬小水珠，再取一中間開孔，孔徑約為燈泡直徑大小的白紙屏，讓平行光束從圓孔射入燈泡．當(dāng)光線進(jìn)入燈泡后，在其后壁發(fā)生全反射，反射光線再透過燈泡投射在圓孔屏上形成一個彩色光環(huán)，如圖10所示，就象從空中觀察到的圓虹．聯(lián)系方式郵箱：zhanglz@126.com 手機(jī)：13913979890 qq:175214148