光的色散实验中可能遇到哪些意外现象？深层次现象及成因探讨

沃德科学仪器　04-09 17:02

在光的色散实验中，当太阳光直接照射到三棱镜上时教室内的墙壁上总是出现紫靛蓝绿黄橙的七色色散光带，为什么会和彩虹的颜色相反呢？让我们一起进入实验发现思考探讨的光学世界。

用三棱镜演示“光的色散”现象是每个初中物理老师和学生都做过的实验。按照初中物理课本上的介绍，太阳光照到三棱镜上，经过三棱镜的折射后，在三棱镜另一侧的光屏上从上到下依次会出现“红、橙、黄、绿、蓝、旋、紫”七种色光。但是老师在演示时，有时教室里墙壁上出现的色散光带并不是“红光在上，紫光在下”，而是完全相反的现象——“紫光在上，红光在下”的现象。为什么会出现这种现象呢？

“紫光在上，红光在下”的色光的色散现象

将三棱镜调到如下图1所示位置时，教室内墙壁上出现色散光带。

实验探究：用硬纸板依次将三棱镜的三个面遮住，观察“紫光在上，红光在下”的色散光带的存在情况。

结论：如图1所示，太阳光从②面射入时，经折射后从③面射出，由于紫光的偏折能力强，所以紫光出现在红光的上面。

“红光在上，紫光在下”的色散现象能够看到吗？

当三棱镜处在如图2所示位置时，在三棱镜下方的地面上会看到一条色散光带，在色散光区域竖放一张与地面成45度角的白纸，白纸上能观察到红光在上，紫光在下的色散现象。

实验探究：用硬纸板依次将三棱镜的三个面遮住，观察“红光在上，紫光在下”的色散光带的存在情况。

结论：如图所示，太阳光从①面射人，经两次折射后从③面射出，由于紫光的偏折能力强，所以出现了“红光在上，紫光在下”的色散现象。

为什么不论怎样转动三棱镜，我们都不容易在教室的墙壁上看到“红上紫下”的色散现象呢？而“紫上红下”的色散现象容易被我们看到呢？

太阳光总是从上方斜向下射向三棱镜。

色散光带相对于斜向下的入射光的偏折方向和紫光相对于红光的偏折方向相同——都是偏向底面。总结得出：色散光带相对于斜向下的入射光偏向上方，则紫光在红光上方；色散光带相对于斜向下的入射光偏向下方，则紫光在红光下方。

由于教师总是引导学生在教室内的墙壁上寻找色散光带，这条色散光带相对于斜向下的入射光必须偏向上方时才容易出现在教室内的墙壁上，所以墙壁上看到的总是“紫光在上，红光在下”的现象。而“红上紫下”的光带相对于斜向下的入射光偏向下方，一般情况下只出现在三棱镜下方的地面上，也就不容易被注意到。

能否采取一些措施，使“红上紫下”的色散光带出现在墙壁上呢？

理论分析：根据上面得出的结论，只要太阳光始终是斜向下射向三棱镜，“红上紫下”的现象就不会出现在教室内墙壁上容易被学生看到的位置。但如果太阳光从下方斜向上射向三棱镜，将三棱镜调整到合适位置，就可以使“红上紫下”的色散光带出现在墙壁上较高位置（如图3)。

实验措施：在图3中，将三棱镜放在较高位置，用一块平面镜将太阳光反射后射在三棱镜上，通过调整三棱镜与平面镜的位置，“红上紫下”的色散光带出现在墙壁上方。

光学实验是物理最美的实验之一，在实验探究时，经常会出现一些“意外”现象，历史上很多科学发现就是因为“意外”而导致的。抓住这些意外现象，不断地进行实验探索，以及观察思考，这对于培养学生的探究能力，提高学生学习物理的兴趣，养成实事求是的科学态度，有重要意义。