彩虹的呈现和测控装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种彩虹的呈现和测控装置。

背景技术

虹和霓是由于太阳光线被大气中的水滴反射和折射而形成的一种自然现象。雨过天晴时，太阳对面的天空中将出现彩色圆弧，按一定顺序排列红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。这种圆弧有时能见到两个，红色在外、紫色在内，颜色鲜艳的叫“虹”，红色在内、紫色在外，颜色较淡的叫霓”。虹形成时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，紫光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，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。

霓是阳光折射进入水滴，再在水滴内部发生两次反射，最终通过折射射出水滴得到的。由于反射并非完美的全反射，会损失部分能量，因此，发生两次反射得到的霓，通常比只发生一次反射得到的虹的光强要弱，因此采用传统方式获取的光强较弱的霓，不方便研究人员观察和准确研究。

虹与霓是雨过天晴后的一种常见自然现象，了解其形成机理与研究方法可加深对该光学现象的科学认知。观测虹与霓所设计的实验装置，应能够满足在实现虹与霓实验现象基本再现的前提下，能够对虹或霓的部分参数指标进行测量与研究讨论，并深度探讨其影响。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种彩虹的呈现和测控装置，以解决目前彩虹呈现装置无法准确的测量彩虹的参数的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种彩虹的呈现和测控装置，所述彩虹的呈现和测控装置包括沿光线的传输方向依次布置的光源、透明水缸和承接光屏，所述透明水缸内盛装有清水或梯度浓度的氯化钠溶液，所述透明水缸内设置有用于对入射到所述透明水缸内的光线进行反射的光线反射件，所述光线反射件贴设于所述透明水缸的内侧壁并浸没于所述清水或梯度浓度的氯化钠溶液中；所述承接光屏用于承接从所述透明水缸内折射出的光线并显示彩虹；

所述彩虹的呈现和测控装置还包括用于调节彩虹的长度、宽度和曲率的光线调节组件和用于测量彩虹现象光路折射角度的测量仪，所述光线调节组件设置在入射光路或出射光路上。

在本发明的实施例中，所述光线调节组件包括导轨以及多个间隔布置的凸透镜或凹透镜，每个所述凸透镜或所述凹透镜均通过滑块滑设于所述导轨上，多个所述凸透镜或所述凹透镜具有相同的直径和不同的焦距。

在本发明的实施例中，所述彩虹的呈现和测控装置还包括用于放置所述透明水缸的载物台，所述测量仪为分光计，所述载物台为圆形，所述分光计通过手柄连接所述载物台，所述分光计的目镜镜筒能够绕所述载物台的圆心转动，且从所述透明水缸射出的出射光线的延长线与所述载物台的圆形正上方相交。

在本发明的实施例中，所述光线反射件为铝面镜，所述铝面镜的反射面朝向所述透明水缸的中部并用于对进入到透明水缸内的折射光线进行反射。

在本发明的实施例中，所述铝面镜为平面镜或者凹面镜。

在本发明的实施例中，所述彩虹的呈现和测控装置还包括设置于所述载物台下方的底座，所述底座上安装有用于行走的万向轮。

在本发明的实施例中，所述透明水缸的材质为亚克力玻璃制件。

在本发明的实施例中，所述透明水缸靠近所述光源的一侧的缸体内侧壁沿高度方向贴设有两列遮光纸，两列所述遮光纸之间形成供所述光源发射的光线射入的空间。

在本发明的实施例中，所述透明水缸的内侧壁上刻画有水位线。

在本发明的实施例中，所述氯化钠溶液的浓度范围为0～25％。

通过上述技术方案，本发明实施例所提供的彩虹的呈现和测控装置具有如下的有益效果：

向透明水缸中加清水至刻度线，打开光源，光射出后，经透明水缸侧壁上预留的狭缝折射入透明水缸。转动承接光屏，可在透明水缸另一侧宽面接收到经折射-反射-折射形成的彩虹像。此时，在透明水缸的内侧壁用于对光线进行反射的光线反射件，模拟霓的产生过程，光线经折射-反射-反射-折射发生色散，在虹的另一侧产生霓的像，霓与虹的颜色排布相反。此外，本发明通过在入射光路或出射光路上设置光线调节组件，能够调节彩虹的长度和曲率等，并设置测量虹现象光路折射角度的测量仪，并通过将透明水缸中的清水替换成梯度浓度的氯化钠溶液，从而可以实现对彩虹的多项指标测量的目的。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例彩虹的呈现和测控装置的第一视角的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例彩虹的呈现和测控装置的第二视角的结构示意图；

图3是根据本发明中虹像的光强与其面积大小的关系示意图；

图4是本发明中红、紫光偏折角度随氯化钠浓度变化关系示意图；

图5是本发明中紫光和红光的色散率之差随NaCl溶液的质量分数变化关系示意图；

图6是本发明中不同浓度的氯化钠溶液虾红、紫光的折射率示意图。

附图标记说明

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

下面参考附图描述根据本发明的彩虹的呈现和测控装置。

参见图1和图2，在本发明的实施例中，提供一种彩虹的呈现和测控装置，该彩虹的呈现和测控装置包括沿光线的传输方向依次布置的光源10、透明水缸20和承接光屏30，透明水缸20内盛装有清水或梯度浓度的氯化钠溶液，透明水缸20内设置有用于对入射到透明水缸20内的光线进行反射的光线反射件，光线反射件贴设于透明水缸20的内侧壁并浸没于清水或梯度浓度的氯化钠溶液中；承接光屏30用于承接从透明水缸20内折射出的光线并显示彩虹；彩虹的呈现和测控装置还包括用于调节彩虹的长度、宽度和曲率的光线调节组件和用于测量虹现象光路折射角度的测量仪，光线调节组件设置在入射光路或出射光路上。

虹与霓的再现：向透明水缸20中加入清水至水位线，此时清水的重量为170g，此时水缸被调整至合适位置，打开手电后，光线在水缸中的出射光路位置恰好经过分光计载物台圆心。打开光源10，光射出后，经透明水缸20侧壁上预留的狭缝折射入透明水缸20，在透明水缸20的内侧壁用于对光线进行反射的光线反射件。转动承接光屏30，可在透明水缸20另一侧宽面接收到经折射-反射-折射形成的彩虹像。此时，在透明水缸20内插入一面铝镜并与内侧壁的铝面镜60垂直，模拟霓的产生过程，光线经折射-反射-反射-折射发生色散，在虹的另一侧产生霓的像，霓与虹的颜色排布相反。

其中，光源10采用白激光光源10，相较于普通光源10，白激光光源10具有高亮度、高直准度的特点，光线趋于平行而不发散，聚集度高。白激光光谱由红蓝绿三条线状光谱组成，光谱是离散状的。在后续的光学处理中非常容易因为色散现象而分离，白色又重新分散出七色光谱。相较普通光源10，其可见光波长覆盖范围全，色带更加完整。

此外，本发明通过在入射光路或出射光路上设置光线调节组件，能够调节彩虹的长度、宽度和曲率等，并设置测量虹现象光路折射角度的测量仪，并通过将透明水缸20中的清水替换成梯度浓度的氯化钠溶液，从而可以实现对彩虹的多项指标测量的目的。

在本发明的实施例中，光线调节组件包括导轨42以及多个间隔布置的凸透镜40或凹透镜41，每个凸透镜40或凹透镜41均通过滑块43滑设于导轨42上，多个凸透镜40或凹透镜41具有相同的直径和不同的焦距。将多个凸透镜40安装在光源10和水缸之间的入射光路上，同样可以使虹与霓光带弯曲，凸透镜40焦距越小，光带弯曲程度越大。与采用凸面镜代替反光镜的方法相比，添加凸透镜40的方法更加简单有效，效果亦更加明显。凹透镜41有发散光作用，将其加在透明水缸20与承接光屏30之间的出射光路上可以使虹与霓光带变长，凹透镜41的焦距绝对值越小，光带越长。

具体地，在实际实验过程中，凹透镜41或凸透镜40的工作原理及作用效果可以通过如下操作实验获取：

首先，向透明水缸20中加清水至刻度线，打开光源10，调节载物台50至在承接光屏30上能接收到虹的像。在光源10与透明水缸20之间添加凸透镜40，可以观察到，承接光屏30上出现弯曲的彩虹像。当更换不同焦距的凸透镜40时，彩虹的弯曲程度亦随之改变。凸透镜40焦距绝对值越小，呈现的虹越弯曲；霓与虹同理。

同理，若使用非圆形的凹透镜41加装在透明水缸20和承接光屏30制件时，可单独对彩虹的宽度(长度)进行调节，而不改变其长度(宽度)。

并且在实验过程中还进一步发现，添加凹透镜41或凸透镜40来改变虹的弯曲程度和长度、宽度时，承接光屏30上虹像的明暗(即光强)亦发生改变。团队猜测彩虹像的平均光强与其在光强上投影的总面积有一定关系，故进行如下验证实验进行验证。

验证实验的验证过程：向透明水缸20中加氯化钠溶液至水位线，打开光源10，调节载物台50直到在承接光屏30上能接收到虹的像。固定载物台50、承接光屏30的位置不再改变。用夹子将一精度为1mm

或者，保持固定载物台50、光屏的位置不动，在水缸与光屏之间添加凹透镜41，使光屏上彩虹像的大小改变。用夹子将另一坐标纸夹在光屏上，用笔描绘出彩虹像的边界。按上述方法计算其面积。取下坐标纸，按上述方法测定其平均光强。更换不同焦距的凹透镜41，改变彩虹像的大小，重复上述步骤测定彩虹像的面积与光强大小，寻找规律。如表1和图3所示，为虹像在承接光屏30上的面积与光照强度变化关系图。添加不同透镜时，虹在光屏上像的面积与其平均光强(实为照度)数据如表1所示。虹在光屏上像的面积与其平均光强(照度)的乘积为定值，计算其乘积并计算各组乘积与平均值的相对偏差如表1所示。其相对偏差均在5％以内。考虑到实验精度问题，则在误差允许范围内，由此可知，虹在承接光屏30上像的面积与其平均光强的乘积为定值，两者成反比。

表1虹光带的照度、面积等数据

在本发明的实施例中，彩虹的呈现和测控装置还包括用于放置透明水缸20的载物台50，测量仪为分光计80，载物台50为圆形，分光计80通过手柄90连接于载物台50的圆心处，分光计80的目镜镜筒能够绕载物台50的圆心转动，且从透明水缸20射出的出射光线的延长线与载物台50的圆心正上方相交。

本实验将分光计80的光源10镜筒改换为白激光光源10，同时将刻度盘固定，使原光源10镜筒位置在0刻度线处，并在目镜镜筒添加指针。当在目镜中能观察到清晰的彩虹像时，通过指针与刻度盘即可读出虹较光源10的偏转角度。改装后，既使得实验数据的测量更加便捷精准，同时缩小了装置的体积，便于携带。

具体地，分光计80用于测量入射光与色散的各种颜色的光的夹角。将分光计80目镜移开，改用光屏承接彩虹像，通过在入射光或出射光光路上添加不同曲率大小的凹凸透镜40，可以对彩虹的长度、曲率实现调节。

在本发明的实施例中，光线反射件为铝面镜60，铝面镜60的反射面朝向透明水缸20的中部并用于对进入到透明水缸20内的折射光线进行反射。在实际生活中，由于水滴的边界类似于半透镜，光在其中反射的同时也会有一定的光线折射出水滴，故自然界中霓的光强比虹要低。本实验使用全反射的铝面镜60模拟反射过程，故霓与虹无明显光强之差。用适宜尺寸的铝面镜60代替平面镜放入水缸，避免了光在平面镜前后两面分别发生反射并形成两个重叠的彩虹，减小对观察造成影响。

铝面镜60相比于普通玻璃平面镜：普通玻璃平面镜是将玻璃的一面涂上镜面材料制成，光线通过其反射时，会在玻璃的前后两面均发生反射，产生两个重叠的彩虹像，不利于观察分析。铝面镜60则避免了这一现象，光线全部从铝面镜60的表面反射，形成一个清晰的彩虹像，利于观察分析。

在本发明的实施例中，铝面镜60为平面镜或者凹面镜。

在本发明的实施例中，彩虹的呈现和测控装置还包括设置于载物台50下方的底座81，底座81的底部安装有用于行走的万向轮，可以自由调节固定轮子不滑动或松开固定器使轮子可滑动，以方便整个装置的移动。

在本发明的实施例中，透明水缸20的材质为亚克力玻璃制件。

在本发明的实施例中，透明水缸20靠近光源10的一侧的缸体内侧壁沿高度方向贴设有两列遮光纸70，两列遮光纸70之间形成供光源10发射的光线射入的空间，在该空间上有光源10的入射点A。遮光纸70贴在水缸侧壁，用于遮挡多余光线，使一束平行光从两列遮光纸70之间留出的空间入射透明水缸20，减小杂光对实验观测的干扰。

在本发明的实施例中，透明水缸20的内侧壁上刻画有水位线，以便于实验人员观察到透明水缸20内的水位情况。

在本发明的实施例中，氯化钠溶液的浓度范围为0～25％。通过将透明水缸20中的氯化钠溶液设置成不同的浓度，并根据测量不同浓度梯度的氯化钠溶液介质的折光率，可以探究介质折射率对彩虹折射角的影响。

具体的操作过程为：配制质量分数为0％、5％、10％、15％、20％、25％及饱和NaCl溶液，采用阿贝折光仪依次测定其折光率并记录，以此绘制NaCl溶液折光率校正曲线。用差重法测得适宜水量下水缸内的水重170g，依此计算出实验中使水缸达到上述浓度所需的NaCl质量。提前称量好并贴好标签。

首先实现虹的再现，然后转动分光计80的目镜镜筒，使虹从水缸出射后，经目镜镜筒射出。此时，在目镜镜筒内可观测到色散后的不同颜色光。仔细转动目镜镜筒，使目镜中央十字刻痕交点与虹的红光边界对齐。通过目镜上的指针和分光计80刻度盘可读出红光的折射角。同理读出紫光的折射角；其次，固定载物台50不动，向水缸中加入预先称好的NaCl固体，用玻璃棒搅拌使之充分溶解。再度转动目镜镜筒，使目镜中央十字刻痕交点与虹的红光边界对齐。通过目镜上的指针和分光计80的刻度盘读出5％NaCl溶液下红光的折射角。同理读出紫光的折射角。继续重复上述步骤，直至测得饱和时虹的红光与紫光的折射角。

具体地的实验数据汇总如下：

一、折射率的校准

测量折光率初始温度：27.0℃，测量折光率结束温度：27.2℃，测量虹初始温度：32.0℃，测量虹结束温度：32.0℃；当温度升高1℃时，液体的折光率就减小3.5*10

n

其中，n

表2 32℃时氯化钠溶液折光率随浓度变化关系

二、介质折射率对虹位置的影响

介质对虹位置的影响主要体现在折射角度上，不同折射率下虹的红光与紫光角度数据记录如表3所示；并且，以NaCl质量分数为横坐标，偏转角度为纵坐标，作图如下图4所示：从图中可以看出，随介质的折光率增大(NaCl质量分数增大)，红光和紫光的折射角度均增大，且紫光角度随折光率的变化率比红光略大。由于角度变化范围不太大，两者单独对折光率可视作线性变化关系。

表3红、紫光偏折角度随氯化钠浓度变化关系

三、红、紫光的折射率计算

通过如下折射率公式(2)，计算不同介质下红、紫光的折射率，并绘制折射率～NaCl质量分数如图5所示

其中，n是指折射率；i是指折射角度。

从图中可以看出，随着NaCl溶液的质量分数增加，红、紫光折射率都先增大后减小；红光受质量分数变化的影响较小，紫光受质量分数的影响较大。

四、色散率计算

在本实验中，色散率主要体现在红、紫光的折射率之差。两者之差越大，说明红光与紫光(同理可拓展至各色光)色散得越开，即色散程度越好。两者色散率之差随NaCl溶液的质量分数变化如图5所示；从图中可以看出，当NaCl质量分数为10％时两种光的折射率之差最小，即色散效果最差；随着NaCl质量分数的增大，色散率先减小后增大。

五、介质折光率对光强的影响

实验中在不同NaCl质量分数下测定了虹的光强(均取黄绿光的照度)，不同折射率下虹的光强也呈现出规律变化。不同折射率下虹的光强也呈现规律变化。光强对折光率的变化如图6所示：从图中可以看出，随着介质折光率的增大，光在介质中的耗散增大，虹的光强逐渐减弱。

最后，对实验误差进行分析：

系统误差：色带分散程度因装置的色散强度不可做到完全分离；或者水缸实际存在一定的厚度，入射光先在空气-玻璃界面发生一次折射，然后在玻璃-水界面发生二次折射(出射光同理)，对角度的测定产生影响。

不确定度：随机误差引起的对测量结果不能肯定的程度就是A类不确定度。系统误差中由仪器误差导致的结果的不确定度就是B类不确定度。这里我们只考虑仪器误差。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。