光线穿过玻璃棱镜的路径追踪

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简介

识别白光通过三棱镜的路径是一个重要的科学实验。它用于展示可见光谱。不同类型的光在通过三棱镜时具有不同的颜色，它们被分成多个光谱，因此通过这个实验发现，仅仅是白光本身就包含了不同的颜色。这个实验最早是由艾萨克·牛顿在1665年完成的。

三棱镜的一些重要事实

三棱镜通常是一种多面体，有两个平行的底面。当特定光线在穿过棱镜时发生两次折射，它会与实际路径分离一定的角度。

偏折角取决于棱镜的顶角、棱镜的材料性质和入射角。偏折角通常随着入射角的增大而减小。偏折角的最小值称为棱镜的最小偏折角。正如 Nagare 等人（2019）所述，在最小偏折角位置，反射光线与棱镜的底面平行。

图 1：棱镜和光的折射

当光束照射到棱镜的一侧表面时，它会分解成七种颜色。正如 Hess 等人（2020）所述，棱镜展示的这种特定现象称为光的色散。这七种颜色的光的集合称为光谱。

玻璃棱镜表现出各种折射率，其中包括白光的几种颜色成分。这是因为每种颜色的速度不同。因此，不同的颜色从棱镜出来的方向不同，从而变得清晰（Smith & Karunadasa，2018）。白光分散成 VIBGYOR（紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红），其中紫色偏折最大，红色偏折最小。

实验装置

目的

实验的目的是识别玻璃棱镜中光线的路径。

所需材料

• 绘图铅笔
• 软木板
• 一个玻璃棱镜
• 透明胶带
• 一些大头针
• 3 张白纸
• 量角器
• 铅笔、尺子。

步骤

图 2：光线的路径

追踪光线穿过三棱镜的路径是一个重要的科学实验，也可以通过以下步骤完成：

用透明胶带将白纸固定在绘图板上。

• 将玻璃棱镜放置在纸的中间。标记玻璃棱镜的边界为 ABC，然后取下棱镜。
• 然后在折射面（AB）上画一条线 XY。
• 在 F 点画一条垂直于 XY 的法线 NFN1。通过画一条作为入射光线到法线的线 EF，画一个 30° 角。
• 然后将玻璃棱镜放置在 ABC 上。
• 将大头针 Q₁ 和 P₁ 垂直固定在 EF 上，并将它们放置在 6cm 的距离处。
• 从折射面 AC 看，Q₁ 和 P₁ 的像出现在 I₂ 和 I₁ 处。
• 然后垂直放置大头针 P₂ 和 Q₂。要确保 P₂ 和 Q₂ 与 I₂ 和 I₂ 在一条直线上。
• 如果 P₂ 和 Q₂ 以及 P₁ 和 Q₁ 位于一条直线上，则它们会一起移动。
• 取下棱镜后，标记 P₂、Q₂、P₁ 和 Q₁ 的位置。
• 连接点 P₂、Q₂ 以产生 P₂Q₂，确保它在 AC 上与 G 相交。因此 HG 表示出射光线。
• 连接 F 和 G 以表示折射光线的路径
• 连接 F 和 G。线 FG 表示折射光线的路径。

观察

当光束照射到折射面上时，光线在折射后会向法线弯曲 (Ma 等人，2021)。然而，在第二个折射面上，从空气进入玻璃的光束会偏离法线。

结果

EFGH 描述了光线穿过棱镜的特定路径，并在图中显示。

注意事项

玻璃棱镜的折射面需要光滑透明，并且没有破损或气泡。它应该呈三角形。需要使用锋利的铅笔绘制棱镜的边界以及光束。正如 Zhdanov 等人（2018）所述，大头针应该成形，并且需要垂直固定在纸面上。大头针之间需要 6m 的距离。这可以精确地找到折射光线和入射光线的方向。始终调整大头针的脚而不是头部。必须将大头针圈起来并点上。入射角必须在 30° 到 60° 之间（Taravati & Eleftheriades，2021）。必须绘制适当的箭头以指示入射光线、出射光线和折射光线的方向。

结论

追踪光线穿过特定棱镜非常重要，因为它有助于了解肉眼无法看到的不同光成分。这个特定的实验表明，仅仅是白光本身就包含了不同的七种颜色。这七种颜色的光统称为光谱。

常见问题

Q1. 什么是棱镜？

棱镜指的是一个光学物体，它具有透明、抛光和平坦的表面，可以反射光线。棱镜通常用于实验光的反射。

Q2. 折射率使用什么单位？

折射率没有单位。这是因为它是在特定介质中光速与在真空中的光速之间的比率。

Q3. 什么是光的色散？

它指的是白光分裂成七种不同颜色的现象。当光线穿过透明介质时，就会发生这种现象。

Q4. 当入射光线进入棱镜时会发生什么？

入射光线在穿过棱镜时通常会向法线弯曲。发生这种情况是因为光线改变了其原始路径并发生了偏折。