主办单位:市关工委 市文明办 市教育局 市中小学生科技活动基金会

承办单位:市中小学生科技活动基金会办公室 市宣传系统关工委 金金网

协办单位:各区关工委 文明办 教育局

您当前的位置 : 我的科技梦2020 > 小科技论文 >

彩虹形成原理及人造彩虹考察报告

作品ID:25889
作者姓名:李牧遥
作者学校:南京市游府西街小学
作者区域:秦淮区

彩虹形成原理及人造彩虹考察报告

南京市游府西街小学四(1)班 作者:李牧遥

指导老师:徐雯

摘要:彩虹有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色,它像一座七彩桥,又像仙女那飘飘悠悠的绸带。这美丽的彩虹是怎样形成的?我迫不及待地去问爸爸,爸爸要我再仔细地想想,启发我用实验去探究。我们通过对比实验,试图揭开在不同条件下彩虹的成因之谜,并成功实践了人造彩虹的两种制造方法。

关键词:彩虹;制造方法;原理;考察

一、考察背景

小时候,我对彩虹充满幻想,但是年幼的我很少见到彩虹。它经常出现在我的梦里,一大片的樱桃林,火红的海洋上有一道美丽的彩虹,红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,淡雅、纯净,犹如一个花哨少女的丝巾。在一个雨后的中午,水晶蓝的天空扯着几缕云,淡淡的阳光穿透了云,柔和地照在身上。清澈透明的天空上呈现出一道彩虹。这是我第一次看到彩虹。几年来,我很少见到彩虹,有一次在很远的天边看到的彩虹给我留下了深刻的印象。

通过查阅资料,我发现太阳光是平行光,是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光组成的。几百年前牛顿做了一个有名的三棱镜实验,他在著作中记载道:“1666年初,我做了一个三角形的玻璃棱柱镜,利用它来研究光的颜色。为此,我把房间里弄成漆墨的,在窗户上做一个小孔,让适量的日光射进来。我又把棱镜放在光的入口处,使折射的光能够射到对面的墙上去,当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时,使我感到极大的愉快。”通过这个实验,牛顿在墙上得到了一个彩色光斑,颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

二、考察过程

1.准备工作

1.1材料准备

塑料盆、镜子、白纸,三棱镜、杯子和水。

1.2 知识准备

天边的彩虹给我留下了深刻的印象,我将那天的见闻在早晨的时候和爸爸妈妈分享。五彩斑斓的彩虹非常好看,但要遇见真正的彩虹需要运气。爸爸提出问题“彩虹是怎么形成的呢?”这让我产生了浓厚兴趣。我对爸爸说:“我最喜欢彩虹了,你呢?今天我们就一起把彩虹带回家吧!”爸爸笑着答应了。爸爸说彩虹是由于光的折射和反射形成的,那么光的折射和反射又是什么呢?我很是好奇。

于是,我和爸爸带着这个疑问来到了电脑旁,输入“彩虹是怎样形成的”这几个字,我看到电脑上说彩虹是因为阳光射到空中圆形的小水滴造成色散及反射形成的。我和爸爸首先观看了两个关于光的科普视频,知道了光是直线传播的,而当光线进入到水里的时候则会出现偏折。

为了更加理解这两个物理概念,我们做了两个小实验。

实验一:我们用一面小镜子,将外面的太阳光反射到室内的墙上。我和爸爸依次尝试了这个小实验,变换镜子的角度,成功将室外的阳光反射到室内阴影处的墙面上。

实验二:爸爸取来一杯水,将一支棕色筷子放入水中。他问道:“你觉得这根筷子有什么变化吗?”我说:“我觉得它变粗了,像巧克力的颜色。”爸爸同意:“对,颜色变深了。”我凑近看了看说:“它好像折断了一样。”

做完这两个实验后,爸爸问:“你们觉得哪个是光的折射,哪个是光的反射呢?”

我回答:“第一个是反射,第二个是折射,因为第二个有水。”

爸爸说:“是的,第一个实验我们只是通过使用镜子,将光线的传播方向进行了改变。但是第二个实验里,光的传播从空气到了水里,也就是从一种介质到另一种介质了。”

我问:“介质是什么?”

爸爸说:“光在空气或水里传播,空气和水就叫做介质。”见我似懂非懂地点了点头,爸爸便说道:“现在不是很明白也没有关系,以后学到更多的科学知识,就会明白啦。”

做完两个实验后,我们又看了一遍视频,其中有一段引起了我的注意。视频里说,鱼塘里的鱼儿的实际位置其实比眼睛看到的位置更低一些。

我问爸爸:“那真的鱼在哪里呢?”

爸爸说:“在更下面一点,因为光折射了。”

我说:“那它欺骗了我们的眼睛呀。”

在有了一些光学知识的基础上,我们终于开始着手制造彩虹的实验了!

2.实验过程

2.1制造彩虹的第一种方法

我和爸爸找来了一个盆子和一面镜子,我们在盆中接了一些水,此时的水量大约为塑料盆的1/2。

爸爸问:“你觉得这些水够了吗?”

我说:“够了,爸爸,我们先试一下。”

我们将水盆抬到阳光下,墙上出现了一些淡淡的光波。

我说:“这不是彩虹,它都没有颜色。我们之前说形成彩虹需要同时满足光的折射和反射。镜子可以反射光,水可以折射光,那我们要怎么把它们结合起来呢?”

我又想了想,说道:“往镜子上洒水试试?”于是我沾了些水在镜子上,再将镜子放在阳光下,可是墙上还是只有一片白晃晃的光斑。

爸爸:“是不是水不够啊?再弄点。”

镜面上沾了许多水,可是彩虹还是没出现。

爸爸又重复了一遍问题:“镜子和水要怎么结合在一起,使反射和折射同时发生呢?”

我灵机一动,立即答道:“把镜子放进水里呀!”

我们将镜子斜插入水盆中,但是我们期待的彩虹现象却没有出现。

爸爸说:“这样确实可以使折射和反射同时发生,但为什么还是没有彩虹呢?”

我想了想,和爸爸说:“我知道了!肯定是水不够!”

爸爸点点头,于是我们多加了些水,使盆里的水没过了镜面的2/3。这时候,墙上的光斑有了色彩,像跳跃的火焰一样晃动起来。

“彩虹!彩虹!”我和爸爸都高兴地叫起来。

我看了看,不太满意地问:“为什么它晃来晃去呢?都看不清楚。”

爸爸:“你有什么想法吗?”

我:“我觉得是角度不对,让我来试试!”

于是我和爸爸一起围在水盆边,一点点改变着水盆和镜面的位置。忽然,在将水盆转到某个角度的时候,投射到墙上的彩虹不再晃动,而是呈现出一条色彩分明的光带。

“成功了!”我高兴极了,指着墙上说,“这是真正的彩虹!”

步骤总结:将小镜子倾斜着放入塑料盆中,尽量让镜子稳住不动,再使阳光的光线照在水下部分的镜面上,然后我们调整镜子的位置,将光斑投影到墙上,就会慢慢的看到彩虹。

2.2制造彩虹的第二种方法

第一步:认识和观察三棱镜

三棱镜是一个用玻璃做成的,截面是个三角形的透明物体,可以用来做光的色散的实验。

第二步:

用手电筒的光直接照射在三棱镜上(对着墙面),调整三棱镜的角度,观察墙面上被色散的光线,到特定角度有美丽的彩虹出现。可以多找几个光源试试,比如日光、手机的手电筒、或者台灯等等。

3、两种人造彩虹的区别及其对应的科学原理

两种制造彩虹的方法有使用材料和使用步骤上的不同,但最根本的区别在于所利用的科学原理不同,我和爸爸一起研究后总结如下。

我和爸爸使用的制造彩虹的第一种方法中,阳光射入水面时会同时以不同角度入射,以水中的镜子为介质,亦不同的角度反射,所有角度当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水面,先折射一次,然后在水中镜子上反射,最后离开水面时再折射一次,总共经过一次反射两次折射,在墙面上形成彩虹。

制造彩虹的第二种方法中,因为三棱镜对光有色散的作用,不同频率的光的折射率有所不同,红光的折射率比蓝光小,而蓝光的偏向角度比红光大。由于光在三棱镜内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。

三、实验记录

人造彩虹实验情况记录表

 

实验步骤 观察结果
用一面小镜子,将外面的太阳光反射到室内的墙上,变换镜子的角度 将室外的阳光反射到室内阴影处的墙面上
取来一杯水,将一支棕色筷子放入水中 筷子变粗了,像折断了一样
取了一些水倒入盆中,水量大约为塑料盆的1/2,将水盆抬到阳光下 墙上出现了一些淡淡的光波
往拿在手里的镜子上洒水,将镜子放在阳光下 墙上还是只有一片白晃晃的光斑
将镜子斜插入水盆中,将水盆放到阳光下 彩虹现象并没有出现
往水盆里添加水,使盆里的水没过了镜面的2/3。 墙上的光斑有了色彩,像跳跃的火焰一样晃动起来,模糊晃动的彩虹出现
改变水盆和镜面的位置 出现一条色彩分明的光带,制造出真正的彩虹
用手电筒的光直接照射在三棱镜上(对着墙面),调整三棱镜的角度 墙面上有被色散的光线,到特定角度有美丽的彩虹出现

 

四、考察结论

很多人以为彩虹可遇不可求,其实我们在家里就可以制造出美丽的彩虹了。通过实验,我了解到那弧形、多彩的彩虹不过是一种气象中的光学现象。当太阳光照射到半空中的水滴,光线被折射及反射,在天空上形成拱形的七彩光谱,由外圈至内圈呈红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。

而自然界中的彩虹是因为阳光射到空中接近球形的小水滴,造成色散及反射而成。只要空气中有水滴,而阳光正在观察者的背后以低角度照射,便可能产生可以观察到的彩虹现象,彩虹最常在下午,雨后刚转天晴时出现,这时空气内尘埃少而充满小水滴,天空的一边因为仍有雨云而较暗,而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光,这样彩虹便会较容易被看到。因此,彩虹经常在雨后天晴的下午出现,这时空气内尘埃少而充满小水滴,天空的一边因为仍有雨云而较暗,观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光,这样彩虹变会比较容易被看到。另外我发现在瀑布附近比较容易见到彩虹!唐代诗人孟浩然在《彭蠡湖中望庐山》中写道:“香炉初上日,瀑水喷成虹。”就是描写这种原理形成的彩虹。在晴朗的天气下背对阳光在空气洒水或喷洒水雾,也可以制造人造彩虹。

五、收获与体会

1.收获

自然界的彩虹,只会在夏日的暴风雨过后才屹立在天际,所以人们常有“不经历风雨怎么见彩虹”的感慨。同样,我们在求学的过程中也一定要经过不懈的努力,付出辛勤的汗水,才会收获丰富的知识。而收获的知识就像是欣赏到美丽的彩虹一样,彩虹的出现只是瞬间,掌握更多知识才能遇见更美好的未来。为了心中的“美丽彩虹”,加油吧!

2.体会

(1)通过这次实验,让我知道了彩虹是怎样形成的。此外,在实验中遇到不理想的实验结果,要充满信心,进行新的尝试。

(2)通过这次科学小实验,我知道了怎样做一个实验:先选好自己想研究的内容,然后查找资料,丰富自己的知识,还要精心的设计实验,要不断地猜测并且想办法验证。

(3)通过这次科学实验我还明白,科学研究的道路上并不是一帆风顺的,也会遇到困难,我们不要气馁,要努力想办法,最后的成功属于坚持到底的人。