2013年2月17日

科學遊戲-光學-彩虹教室(三) 


說到彩虹,就不能不提到鏡子,因為這是在教室可以做出分光實驗並觀察色光的簡易方法之一。唯一的限制就是在沒有強烈日光的照射下,效果會大打折扣,若是天公作美,就可以看到飄來飄去的彩虹了。
準備一面小鏡子、水和水桶,就可以製作自然日光光源下的連續光譜

形成兩個亮區,都是經由鏡子的反射而形成的,但一個是白光,一個是彩色光帶

之所以說飄來飄去,是因為水面不平靜的原因。不同於稜鏡固體所形成的穩定色帶,在界面有水波時的不穩定情況下,所形成的色帶會隨著波動而扭曲,因此就像是在投射面上蠕動一樣。
自然界中的陽光有著連續的光譜,既然我們看得到,就將它稱之為可見光
可見光只是電磁波範圍的其中一小段區塊,人眼的可見光和其他生物不盡相同

光經由鏡面反射時所形成的亮區有兩個,是因為鏡子可分為在水面上與在水面下兩個部分。在水面上的鏡子反射出來的亮區為白光,由於直接反射,同時進入玻璃,沒有形成明顯的光程差時即被金屬鍍面反射而出,所以沒有分光的現象。
如果覺得白色的牆面干擾太大,可以選擇其他顏色的投射面降低背景光源的干擾

但是光線如果折射進入到水中時,不同的色光就會開始分散而形成光譜。十七世紀的牛頓是利用稜鏡發現「色散」的現象,各種波長的光折射率不同,所以在折射時的偏折角度就會不一樣,現代的我們則是用水來權充「分光器」。
如果角度拿捏得好,光譜就會延展得非常漂亮,色光之間的層次感會好很多
不過這是可遇而不可求的,因為……

如果不改變鏡子的位置和鏡面的角度,所投射出來的彩虹真的會一直在同樣的位置嗎?當然不可能!因為地球自轉的關係,陽光照射的角度會一直偏移,所以角度會一直改變,進而影響我們的觀察。
仔細比較這幾張以相同時間間隔所拍攝的照片,你發現了什麼嗎?

如果比較上面這四張照片,顯而易見的,彩虹的位置從天花板移動到橫樑上,可說是越來越低了!如果要當名偵探的話,可得要從這些蛛絲馬跡中找線索。問題來了,如果是鏡子在調整,看得出來是怎麼調整的嗎?鏡面是要往水平的狀態旋轉,還是直立的狀態才會形成彩虹越來越低的現象呢?

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