2013年1月13日

科學玩具-光學-彩虹教室(一)


彩虹教室?為什麼要取這個名字?因為一切都是從不經意發現教室裡的彩虹開始的…

首先發現光譜的是牛頓。在西元1666年,他做了有名的三稜鏡色散(dispersion)實驗。那時候的他將一束太陽光引入三角形玻璃稜鏡,經過兩次折射後,在牆上分布成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七色的彩色光帶。當再多加一個倒放的三稜鏡於第一個三稜鏡後面時,各色光又重新組合成為白光。
分光實驗的主角-三稜鏡,相信這是每位科學教師的必備物品
不只是光線穿透時可以分光,連在三稜鏡表面的反射也能產生色散現象

之後牛頓這種彩色光帶命名為光譜(Spectrum) 。太陽光在真空中,速率都一樣,因此不會改變行進方向。但是當光從一個介質進入另一介質時,會因為速度的改變,而在界面上產生行進方向的改變。不同波長的光,在不同介質中的速度並不同,因此折射角也會有差異,各色光才會在介質中分開。
每種色光的折射率不同,且因為太陽光是連續光譜,所以形成的是連續變化的色帶

為什麼三稜鏡能產生色散,玻璃窗就不能呢?這是因爲玻璃窗內外界面彼此平行,使得兩次折射方向相反。由空氣進入玻璃時,光線偏向法線;由玻璃進入空氣時,光線又偏離法線,所以正好抵消色散的效果。三稜鏡兩面彼此互不平行,兩次折射方向相同,都是往三角形的厚邊偏折,所以兩次的折射效果疊加之後,而使色散的情形更為明顯。
可以在陽光強烈的中午做這個實驗,試試看可以分出幾道彩虹
左邊的照片中使用一個三稜鏡,卻能在不同地方出現同樣的彩虹光帶

其實牛頓並不是第一位觀察到這種色散現象的人。早在西元一世紀時,羅馬的西尼卡(L.A.Senica 4 BC-65 AD),就曾在他歸類整理的「自然界問題」中提到,當陽光照過一塊角形的玻璃時,會呈現彩虹的全部顏色,只是西尼卡認為那是玻璃將白光「著色」的結果。

其實,紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等色光都是電磁波,本質都相同,唯一的差異只是波長不同。紅光波長最長,約7500埃;紫光波長最短,約 4000埃左右。因為這是人類視覺可見的區段,所以我們把這個範圍的電磁波稱為可見光 (Visible Light)
再者,太陽光入射時並非單一束光線,所以產生的光譜不是只有一處
角度拿捏得好的話,還會出現連續兩到三個層次的彩虹哦

也因為我們可以看見這七種顏色,所以我們的世界成為彩色,各種色光以不同的程度混合,形成了不同色調的光源,物體反射或吸收的程度不同,使得色彩變化萬千,以這篇作為彩虹教室的開場引言,是因為接下來的彩虹不論是人為刻意的或是渾然天成的,都可以在教室內做出來哦!

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