微观彩虹实验创新

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  课堂上再现“彩虹”的方式有很多,但是笔者分析后发现,利用传统的方式(喷雾及三棱镜,如图1)再现彩虹,在组织实验教学及探究上都会有很大的限制:上课时必须得阳光充裕;“彩虹”出现的时间很短,很难让所有学生看清楚,而且不能很好地做到边示范边讲课;实验过程只有折射,“彩虹”多以直线的形式存在,与真实的彩虹不一致,不能很好地模拟自然界中真实存在的彩虹。
  针对上述限制,笔者找到了突破口,设计了一套微观彩虹实验装置,在实验室里创设了自然界中彩虹形成的两个必要条件:白色强光;白光完成折射和反射。
  主要材料
  LED白光手电筒、能调整角度的底座、不同规格的无色玻璃球、支架、光屏等。
  实验制作
  1.取两张大小为45 cm×50 cm的有机玻璃板,其中一张装上支架,作为模拟天空的光屏支架,另一张作为底板。
  2.选取一张50 cm×110 cm的白色KT版作为模拟天空的光屏,固定在支架上,调整其与底板的夹角为60°。
  3.在有机玻璃底板上安装导轨以及玻璃球支架,在固定面板的两个边角处打上小孔,方便更改支撑不同规格玻璃球的面板(如图2)。
  4.在两导轨靠近光屏一端的中间安装带LED白光灯的支架。
  5.选取直径分别为10 cm(8 cm、6 cm)的玻璃球来模拟水珠,相应地,切割出边长为18 cm的正方形面板,在面板中心打上直径为8 cm(6 cm、4 cm)的圆孔来支撑玻璃球(如图3),中心圆孔直径为8 cm的支撑面板已经固定在支架上,接着在中心圆孔为6 cm、4 cm的支撑面板的两个边角处安装上螺丝,只需要把面板的螺丝扣进已经固定的中心圆孔直径为8 cm的支撑面板的两个小孔处,便可以用来支撑相应规格的玻璃球。
  6.在玻璃球支撑面板上固定直径为10 cm的玻璃球,组装好“微观彩虹”装置。装置的结构与详细数据如图4。
  使用方法
  1.利用LED白光灯代替低角度射入的太阳光,在玻璃球中实现两次折射和一次反射,模拟真实彩虹形成的全过程,并在屏幕上形成色散,制造出在原理和外观上都很接近自然的圆弧形“彩虹”,放大了小水珠形成彩虹的微观过程。沿着导轨移动玻璃球,调节玻璃球与光源以及屏幕之间的距离,当屏幕的倾斜角度为60°,屏幕与手电筒支架之间的距离为14 cm,LED白色强光灯以40°仰角射入玻璃球中,入射光与玻璃球中心的距离为9.5 cm时,“彩虹”的效果最佳(如图5)。
  2.再现自然界中的双彩虹(霓虹),通过调整入射光的角度,使光在玻璃球中分别经过两次折射和一次反射后形成“主虹”(正彩虹)。当光在玻璃球中经过两次折射和两次反射时,就会形成“副虹”(霓)。調整LED白光灯支架,使其与光屏的距离为17 cm,入射光与玻璃球中心的距离为7.5 cm,即可在光屏上再现“双彩虹”(如图6)。
  3.换用不同规格的玻璃球做实验,会发现形成的“彩虹”效果有所不同,以此模拟自然界中水滴的大小不同时,所观察到的彩虹差异(如图7)。
  实验优点
  本实验装置的创新与改进突破了传统再现“彩虹”实验存在的弊端,并且取材方便,操作简便,效果明显。一套装置就可以完成本课中的两个实验,大大提高了课堂的效率。具体来说,有以下优点:
  突破了天气这一不确定的因素对课堂教学的限制,可以轻易地在教室中再现“彩虹”以及研究光的颜色,实验成功率达到百分之百。
  再现的“彩虹”不管是在原理上,还是在外观上都与自然界中的彩虹很相近,从而让学生更好地理解彩虹形成的过程。
  再现“双彩虹”(霓虹)。虽然霓虹总是同时存在,但是由于每次反射均会损失一些能量,因此霓的光亮度较弱,这样看见霓虹的机会就变得可遇不可求。利用本套实验装置,我们只需要调整入射光的角度,就可以同时再现“霓虹”,让学生看见难得的“霓虹”同屏的现象。
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