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光也可以被完美地分离

雨停之后,如果有人喊了一声“彩虹!”,周围的人肯定会不约而同地望向天空,去寻找那美丽的彩虹。原本空无一物的天空,却出现了美丽的彩虹,这像魔法一般不可思议,很少有人能抗拒彩虹的诱惑。

天空中的彩虹并不常见,但我们可以通过简单的实验制造出彩虹。例如,点燃一根蜡烛,然后把CD光盘(或DVD光盘)像镜子的一面靠近烛火,光盘上就会呈现出下一页中美丽的现象。为什么黄色的烛光能让光盘表面映出红、黄、蓝等多种颜色呢?接下来,我们将通过一个实验来分析这种现象,这个实验的名字叫“制作光的万花筒”。

这个实验操作简单,效果出彩,材料也都来源于日常生活。但做实验的时候一定要注意安全,不要手持点燃的蜡烛,应该把蜡烛立在烛台上再点燃。避免烫伤和引起火灾。

制作光的万光筒

需要准备的物品

1张分光片(或者三棱镜等具有分光作用的物品)

2个纸杯

剪刀、透明胶带、签字笔、图钉(或工字钉)等

分光片(上图中左侧的透明片)可以在线上商城中买到。

实验方法

1. 将分光片剪成边长为2厘米的正方形。

2. 将一个纸杯反过来扣在桌子上,用签字笔在杯底戳一个较大的孔( a )。

3. 将分光片盖在杯底的孔上,并用透明胶带将分光片固定在杯底( b )。注意透明胶带只粘在分光片的边缘,不要让透明胶带覆盖杯底的孔。

4. 把另一个纸杯反过来扣在桌子上,用图钉在杯底戳一些小孔,可以戳成自己喜欢的图形( c d )。

5. 将两个纸杯的杯口对准,用透明胶带将两个纸杯粘在一起( e f )。

6. 将贴有分光片的杯底靠近眼睛,透过杯底的孔看室内的灯光( g )。

*不要用光的万花筒看太阳或较强的光。因为分光片没有减弱光线强度的作用,用它看较强的光,有损伤眼睛的危险。

a

b

c

d

e

f

g

解说 光里混合了很多颜色

前一小节讲过,色彩三原色是青色、洋红色和黄色,将三原色混合在一起,能形成不太彻底的黑色。另外,还有一种三原色叫光学三原色。与色彩三原色不同,光学三原色分别是红色(red)、绿色(green)和蓝色(blue)。我们在给电脑显示器设置颜色的时候,能看见“RGB”的指令,这就是光学三原色的3种颜色的英语首字母缩写。电脑显示器或电视机就是通过改变红、绿、蓝三种颜色的光的强度,表现出各种各样的颜色。

红色和绿色的光混合在一起,我们可以看到黄色;绿色和蓝色的光混合在一起,我们可以看到青色;红色和蓝色的光混合在一起,我们可以看到紫色;红、绿、蓝三种颜色的光混合在一起,我们看到的就是白色。太阳光和荧光灯之所以看起来是白色的,就是因为混合了各种颜色的光。

顺便介绍一下,光在一种物质中是沿直线传播的,不会改变方向。但是,当光从一种物质进入另一种物质的时候,传播方向就会发生改变。一个透明玻璃杯中装有半杯水,往杯中放一根吸管,我们从杯子的上方看,吸管好像弯折了。背后的原因是光从空气中进入水中的时候,方向发生了改变。

将吸管放入装有半杯水的透明玻璃杯。当光从空气中进入水中的时候,传播方向发生了改变。所以,空气中的吸管和水中的吸管看起来不在一条直线上。

而且,不同颜色的光,偏折角度也不同。红色光的偏折角度小,紫色光的偏折角度大。正是因为各种颜色的光的偏折角度(折射率)不同,我们才能看到彩虹。

那么,一天当中,什么时候最容易看到彩虹呢?我们之所以会看见彩虹,是因为太阳光遇到空气中的小水滴时,会发生折射、反射,然后进入我们的眼睛。当太阳很高的时候,空气中小水滴反射的太阳光不会被我们看见。所以,只有在早晨或傍晚,太阳比较低,而且太阳光斜着照射的时候,我们容易看到彩虹。

前面提到过,太阳光中混合了多种颜色的光,而且不同颜色的光偏折角度也不同。太阳光照射到空气中的小水滴上,紫色光的射入光线与射出光线的夹角是40.7度,而红色光的射入光线与射出光线的夹角是42.4度,因此,在彩虹中,红色位于上方,紫色位于下方。

用CD光盘或DVD光盘反射烛光形成彩虹也是同样的原理。CD光盘表面1毫米内就有625条刻痕(可以理解为很细的凹槽),DVD光盘表面1毫米内有1350条刻痕。

我们能看见彩虹的原理(模式图)

太阳光中各种颜色的光在地球大气层中传播的时候,遇到空气中的水滴,会发生折射和反射。不同颜色的光,偏折角度不同。从我们的眼睛出发,42.4度的位置上的水滴看起来呈现红色,而40.7度的位置上的水滴看起来呈现紫色。

当光照射到刻痕之间凸起的部分时,就会发生反射。我们看光盘表面反射的光时,如果变换角度,看到的光的颜色也会变化。蜡烛、光盘、眼睛,这三者的位置关系如果做出调整,那我们看到的光盘表面的颜色也不一样。

使用分光片的话,我们也可以看到像光盘表面或彩虹那样分开的多种颜色,但不同的是,分光片不是反射的光,而是穿透的光。分光片上,每1毫米内大约有250条很细的凹槽。光也是一种波,红光的波长长,紫光的波长短。当光穿过分光片上的凹槽时,不同波长的光穿过方式不同,因此我们用眼睛看到的效果就是不同颜色的光被分开了。

太阳光可以分离出各种颜色的光,但把这些有颜色的光全部混在一起,真的可以形成白色的光吗?最先提出这个问题并进行调查研究的人是牛顿(1643—1727)。牛顿用三棱镜将太阳光分解成各种颜色的光,再用凸透镜将这些光汇聚在一起,果然得到了白色的光。通过这个实验,牛顿证实了白光是由各种有色光混合在一起形成的。

据说,“彩虹有7种颜色”的说法最早也是牛顿提出的。在那之前,英国人认为彩虹有红、黄、绿、青、紫5种颜色。牛顿又添加了橙和蓝两种颜色,不过他的理由是想要和音乐的7个音阶相对应。

在牛顿生活的年代,音乐是和数学、几何学、天文学并列的权威学科。当时,教会音乐使用的是多利亚调式,即5个全音阶加2个半音阶构成的调式。为了和音阶中的两个半音阶对应,牛顿在红色和黄色之间添加了橙色,在青色和紫色之间添加了蓝色。

牛顿对此还给出了一个非常符合他科学家身份的理由。牛顿认为,声音是由振动产生的,我们的感觉中枢把声音当作一种运动,而光也被我们的感觉中枢当作一种运动。可见,牛顿把声音和光都当作物理现象来看待,而且认为它们之间存在共通的性质。

CD光盘、DVD光盘、分光片分解光的原理(模式图)

分光的方法主要有利用CD光盘、DVD光盘、分光片等衍射光栅和三棱镜(下图)进行分光。

利用三棱镜分光

牛顿利用三棱镜将太阳光分解为各种颜色,然后又用凸透镜和三棱镜将各色的光汇聚成了白光。 ZdbWhkj96o4xkC7WEkToxGmwvCZmN/rj+FPLPv6IDSTfYdgnZ5ahH74iPYPxzE+H

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