微观彩虹实验创新

练海燕

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。