设计性实验十三散射光的研究

设计性实验十三散射光的研究一、实验前的预习实验目的1．了解光散射原理。2．分析与研究红汞水的散射现象。3．加深对光的分子散射与波长关系的了解。4．提高在实践中发现问题、分析问题和研究问题的能力。实验的重点和难点重点：观察红汞水的散射现象。难点：光的分子散射与波长关系。参考书籍与材料1．章志鸣等.光学(第二版).北京：高等教育出版社,2000.2．[法]Francon等.清华大学光学仪器教研组译.物理光学实验.北京：机械工业出版社,1979.实验前应回答的问题1．什么是光的散射现象？什么是“表面散射”？什么是“体内散射”？它与光的反射、折射、衍射有什么区别？你能举出日常生活中所见的各类散射现象吗？2．什么是“弹性散射”？什么是“非弹性散射”？它们的主要区别是什么？它们的散射光波长与入射光波长的关系怎样？3．什么是“瑞利散射”？什么是“廷德尔散射”？它们同属于哪一类散射？它们的主要区别是什么？它们的散射光强度与入射光波长的关系怎样？4．你能用光的散射原理解释蓝天、白云和红太阳的颜色吗？5．光的散射有什么应用？请举例说明。6．什么是红汞水溶液？它有什么光学特点？实验室可提供的主要器材1.红汞水一瓶。2.大烧杯一个，滴管一支。3.实验室常用光源。4.黑纸一卷，剪刀一把。5.普通投影仪一台。6．其他实验室常用元器件。二、实验课上实验内容1．把少许几滴红汞水慢慢滴入一大烧杯的水中，仔细观察红汞液滴溶于水时颜色是如何变化的。分析并解释这种变化的原因。2．将上述滴有红汞的水搅拌后，把盛该溶液的烧杯放在眼前，对着灯光或阳光观察，你看到的溶液是什么颜色？把烧杯周围用黑纸包裹起来，只露出一条3~5mm的缝（或小孔），从缝（或孔）向内看，该溶液是什么颜色？两次看到的颜色相同吗？为什么？分析不同的原因。试验不同浓度的红汞水，找出颜色变化最为明显的红汞水浓度。3．根据上述观察到的现象，设计一个小魔术，令观众感到烧杯中的水因为你的“魔法”而突然改变颜色。4．设计一个演示实验，让一个大教室的学生清楚而同时看到红色和绿色的红汞水。5．寻找你可能用来做实验的各种常见液体，通过实验看看它们有没有与红汞水类似的光学性质，得出你的结论。三、实验课后实验报告要求1．实验的目的、意义。2．实验过程的详细记录。3．实验中发现的问题及其解决方法。4．实验结果的简要描述。5．你所设计的魔术表演方法及在同学中表演的实际效果。6．你所设计的演示实验及在同学中演示的实际效果。7．本实验的收获、体会和改进意见。问题解答一、课前问题：1．光束在媒质中传播时，部分光线偏离光束原方向而分散传播的现象称为光的散射；光束在同一媒质中传播时，因媒质的非均匀（有密度起伏）或非纯净（有杂质），部分光线偏离原方向而分散传播的现象称为体内散射；光束在两媒质界面上反射和折射时，因表面非光滑（有高度起伏），部分光线偏离反射角方向和折射角方向而分散传播的现象称为表面散射。光束在均匀而纯净的媒质中传播时，部分光线偏离直线传播方向的现象是衍射。一般来说，衍射光的方向是有规律的，可预期的；散射光的方向是杂乱的。光束入射到两媒质的光滑界面上时，部分光束返回原入射媒质的现象是反射。一般来说，反射光的方向满足反射定律；散射光的方向是杂乱的。光束入射到两媒质的光滑界面上时，部分光束进入另一媒质而发生偏折的现象是折射。一般来说，折射光的方向满足折射定律；散射光的方向是杂乱的。日常生活中我们之所以能看见桌子、书本等各种物体，大都是由于它们的表面散射；白色的牛奶、蓝色的天空等，则都是体内散射所致。2．“弹性散射”与“非弹性散射”的主要区别是散射时光子能量是否与其它能量发生交换：不交换的是弹性散射，有交换的是非弹性散射。弹性散射过程中，散射光的波长与入射光的波长相同；非弹性散射过程中，有些散射光的波长与入射光的波长不同。3．“瑞利散射”是小颗粒散射（如空气分子的散射）；“廷德尔散射”是大颗粒散射（如灰尘的散射、云雾中小水滴的散射等），它们同属于弹性散射。“廷德尔散射”的散射光强度与入射光波长无关；“瑞利散射”的散射光强度与入射光波长的4次方成反比。4．颜色是不同波长的光经人眼而形成的主观感觉。人眼可以感觉到的光（称为“可见光”）的波长范围在390nm到770nm之间。其中波长最短的是紫光，波长最长的是红光。其间各波长范围所对应的颜色如表1所示。表1光波长与颜色的对应关系波长(nm)390－420420-500500-570570-590590-630630-770颜色紫青－蓝绿黄橙红图1.穿过大气层的太阳光太阳光中包含了全部可见光，因而是白色的。（注意：“白色”由七色按一定比例混合而成，没有对应于白色的波长！）然而，清晨和傍晚，我们看到的太阳光却是红色的，这是因为早、晚的阳光与中午的阳光穿过大气层的距离不同，如图1所示。光在空气中传播时，由于空气密度的起伏，会发生瑞利散射，波长越短，散射越大，紫蓝绿光被散射较多，因而太阳的直射光呈现红色。〖计算表明，当光穿过空气的路程不太远时（如中午的太阳光，穿过空气的路程约8公里），各种波长光的散射损耗都不大，如表2所示；而当光穿过空气的路程较远时（如早、晚的太阳光，穿过空气的路程约达290公里），散射损耗相当严重，而短波长的光更严重得多，如表2（d）所示。由表可知，早、晚的阳光中，蓝紫光几乎全部损失，看到的太阳当然是橙红色的了。〗蓝紫光向各个方向散射，因而整个天空呈现出美丽的蔚蓝色。表2太阳光的相对强度（以进入大气层前的强度为1）由此可知，蓝天红日是空气对不同波长的太阳光散射不同所致。至于白云，则是云中的小水滴对太阳光的廷德尔散射所致，由于廷德尔散射的强度与波长无关，因而呈白色。5．表面散射：用毛玻璃来获得均匀光强；体内散射：用烟雾观察激光的光路；非弹性散射：喇曼散射仪测量材料的特性。6．红汞的化学名称是羰汞基荧光黄钠盐，它易溶于水，其水溶液对可见区的短波长光有较大的吸收，故呈红色。二、实验内容提示：1．刚滴入时是红的，稀释后慢慢变成绿的。因为一般情况下看到的主要是散射光，而由于蓝紫光被强烈吸收，看到的短波长光主要是绿光。2．对着灯光或阳光观察，看到该溶液是红色；把烧杯周围用黑纸包裹起来，只露出一条小缝，从缝向内看，看到该溶液是绿色。因为对着灯光或阳光观察，看到的是透射光；从缝向内看到的是散射光。3．用黑纸做一个前面开口、后面有活动盖的盒子。把一烧杯的清水放入盒子内，前面开口对着观众，以电灯从前面照射（如图2所示），使大家看到一杯清水。在清水内滴入少许红汞，搅拌后，观众将看到一杯绿色的水。将黑盒子转过180°，观众将看不到烧杯和水。此时问观众：“若把黑盒子的活动盖打开，你将看到什么颜色的水？”观众答：“一杯绿水。”以巧妙的手法转移观众的注意，把电灯移到黑盒子的后面，突然将活动盖打开。(a)波长(b)颜色(c)中午的强度(d)早、晚的强度660红0.960.23540绿0.900.04470蓝0.850.003410紫0.760.00007观众看到一杯红水！！！图2.变色水魔术4．可利用投影仪，如图3所示。图3.红汞水演示实验5．各种颜色的墨水都可以试，但效果均不明显。