CN114724444B - 一种再现霓与虹的观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种再现霓与虹的观测装置，包括白光光源、带光源口遮光盖、圆柱形白屏、霓与虹标尺、透明玻璃球、暗箱骨架、圆柱暗箱和底座。白光光源卡在带光源口遮光盖，带光源口遮光盖与暗箱骨架顶端固接，霓与虹标尺、圆柱暗箱和透明玻璃球支架与暗箱骨架固接，暗箱骨架与底座固接，圆柱形白屏贴在圆柱暗箱内壁，透明玻璃球放在透明玻璃球支架上，白光光源能实现垂直照射玻璃球，在圆柱形白屏上同时再现霓和虹现象。本发明能够同时再现霓与虹，直观反应霓和虹的产生原理，能观测不同水滴大小对霓和虹现象的影响；本装置体积小、效率高、成本低，便于推广到课堂教学和科技馆中。

Description

一种再现霓与虹的观测装置

技术领域

本发明属于物理光学领域，涉及一种采用光学方法再现霓与虹的观测装置。

背景技术

霓与虹是一种绚丽的自然现象。霓与虹形成原理涉及到物理中光的折射、反射和色散等知识，人类对霓与虹形成存在认识难度，特别是中/小学生。目前大多采用三棱镜或光栅，喷水雾等方法和装置演示彩虹形成，演示效果较差，与真实彩虹形成原理相差大，特别是缺乏观测霓的实验装置或演示装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种再现霓与虹的观测装置，采用点光源来模拟太阳光，入射光垂直照射透明玻璃球，创新性的设计了圆柱形曲面白屏，实现了同时再现霓与虹，且可观测霓与虹现象随玻璃球大小的变化；设计新颖和使用简便，效果直观，成本低，易于推广。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种再现霓与虹的观测装置，所述的观测装置基于光学方法实现，能够同时再现整圆形霓与虹现象，演示霓与虹形成的光学原理，测量虹观测位置与入射光线的夹角；所述观测装置包括白光光源1、带光源口的遮光盖2、圆柱形白屏3、霓与虹标尺4、透明玻璃球5、透明玻璃球支架6、暗箱骨架7、圆柱暗箱8和底座9。

所述的暗箱骨架7由三个复合板构成，任意两个相邻复合板之间的夹角为120度；三个复合板的底部固定在底座9上，三个复合板的顶部相交处安装带光源口的遮光盖2。三个复合板靠近中心的一侧中部均设有相同大小的矩形缺口，用于放置圆柱暗箱8。所述的三个复合板为复合板A7-1、复合板B7-2、复合板C7-3，其中，复合板A7-1与复合板B7-2之间为观测面，复合板A7-1与复合板C7-3，复合板B7-2与复合板C7-3之间为观测装置背面。

所述的圆柱暗箱8固定在暗箱骨架7三个复合板中间的矩形缺口处，圆柱暗箱8包括上下两部分：所述圆柱暗箱8的下半部分为完整空心圆柱结构且底部有封口，其底面不与底座9表面接触。所述圆柱暗箱8的上半部分在观测面开口120度的豁口，即圆柱暗箱8的上半部分在复合板A7-1与复合板B7-2之间，而在复合板A7-1与复合板C7-3之间和复合板B7-2与复合板C7-3之间设有弧形壁面结构，圆柱形白屏3贴在该弧形壁面的内壁，圆柱暗箱8的上半部分的顶部嵌在遮光盖2圆环结构内。

所述的带光源口的遮光盖2为顶部封口的圆环结构，顶面中部设有通孔，用于安装白光光源1，即白光光源1卡在带光源口的遮光盖2的中心通孔处。所述白光光源1在垂直方向可上下移动。

所述的标尺A4-1、标尺B4-2均用于标记霓和虹的对应位置，具体的：所述的标尺A4-1为薄片状结构，其上设有刻度线(最小刻度为0.5mm)，标尺A4-1粘贴在圆柱形白屏3最右侧壁面上，紧邻复合板A7-1开设的矩形缺口处，其中标尺A4-1的刻度线贴合白屏3壁面；所述的标尺B4-2为矩形板状结构，其上设有刻度线(最小刻度为0.5mm)，标尺B4-2垂直布置在复合板A7-1上，距离复合板A7-1开设的矩形缺口为2.5cm，标尺B4-2的刻度线与复合板A7-1垂直。所述标尺A4-1、标尺B4-2的长度相同，两标尺位置之间的水平距离为2.5cm，其顶部与圆柱暗箱8顶部平齐，底部与透明玻璃球5的顶面平齐。所述的标尺A4-1、标尺B4-2能够标记出霓和虹的对应位置，通过两个标尺之间的距离及相应的几何关系式，能够获得虹位置与入射光线之间的夹角，并还能够验证出射光线(虹)与入射光线的夹角(40度-43度)。

所述的透明玻璃球支架6位于圆柱暗箱8下部圆环结构的中间，且固定在暗箱骨架7上。所述的透明玻璃球5放在透明玻璃球支架6上，且透明玻璃球5位于白光光源1正下方。

所述的白光光源1的出射光中心正对透明玻璃球5球心，经透明玻璃球5折射反射在圆柱形白屏3上能同时观测到霓和虹现象。白光光源1发出的光照射在透明玻璃球5，在圆柱形白屏3上呈现圆形霓与虹，虹在上面而霓在下面，通过放置不同直径大小的透明玻璃球5，能够模拟水滴大小对形成霓与虹现象的影响。

进一步的，所述的白光光源1为点光源。

进一步的，所述的透明玻璃球5直径尺寸为5cm-10cm。

进一步的，本发明设计的观测窗口是120度宽窗口，便于观测，实现了室内室外正常环境下观测霓与虹，现象清晰。

本发明的实现过程及原理为：

打开白光光源1，发出的可见白光垂直照射在透明玻璃球5上，白光光源1与透明玻璃球5之间的距离可调节，保证光线能照到整个玻璃球5，其中一部分光将进入透明玻璃球5内且发生折射，折射的光线照射到玻璃球5另一端的内表面时发生一次反射，然后该反射光线从玻璃球5某位置射出且发生折射，最终射出的光线照射到圆柱形白屏3上，形成颜色上紫下红的水平圆形七彩光谱，这便是虹现象，位于圆柱形白屏3上半边。同时，一部分射入透明玻璃球5内的光线，在玻璃球内表面发生一次反射后，反射的光线在玻璃球内表面会再次(二次)发生反射，反射的光线从玻璃球某位置射出且发生折射，最终射出的光线照射到半透明的圆柱形白屏3上，形成颜色上红下紫内的水平圆形七彩光谱，这便是霓现象，位于圆柱形白屏3下半边。创新性的设计了圆柱形曲面白屏是为了能同时呈现虹与霓。

当固定白光光源1与透明玻璃球5之间距离时，通过放置不同直径大小的透明玻璃球5，能够模拟水滴大小对形成霓与虹现象的影响。

当透明玻璃球5直径大小固定时，打开白光光源1后：

其一，能够在白屏3上观测到霓。

其二，能够在白屏3上观测到虹，并通过观测虹在标尺A4-1和标尺B4-2上对应的具体刻度位置，能够准确获得虹在两标尺之间的高度差值h，利用入射光线与水平方向夹角公式θ＝arctan(h/d)，计算出θ，然后带入α＝90°–θ公式便可获得虹位置与手电筒发出光线夹角，验证理论结果。

本发明的有益效果是：

本装置通过创新性的设计圆柱形曲面白屏，实现了同时再现霓与虹；通过白光光源照射不同直径大小的透明玻璃球，可观测霓与虹现象随玻璃球大小的变化；本发明解决了普通彩虹演示装置难以同时呈现霓与虹现象，反映霓与虹形成原理，观测水滴大小对霓和虹现象的影响等问题。本装置体积小、效率高、成本低，便于推广到课堂教学和科技馆中。

附图说明

图1是本发明的整体结构正面示意图。

图2为本发明的整体结构背面示意图。

图3为本发明标尺上再现虹、霓的示意图；图中，测量值h1＝3.0cm，表示虹在两标尺之间的高度差值；

图中：1白光光源；2带光源口的遮光盖；3圆柱形白屏；4霓与虹标尺；4-1标尺A；4-2标尺B；5透明玻璃球；6透明玻璃球支架；7暗箱骨架；7-1复合板A；7-2复合板B；7-3复合板C；8圆柱暗箱；9底座。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。

如图1所示，本发明是一种可观测再现霓与虹的方法和装置，使用过程如下：白光光源1卡在带光源口的遮光盖2上，带光源口的遮光盖2与暗箱骨架7顶端固接，霓与虹标尺4、圆柱暗箱8和透明玻璃球支架6分别与暗箱骨架7固接，暗箱骨架7与底座9固接，圆柱形白屏3贴在圆柱暗箱8内壁，透明玻璃球5放在透明玻璃球支架6上，白光光源1的出射光中心正对透明玻璃球球心，经折射反射在圆柱形白屏3上能同时观测到霓和虹现象，探究水滴大小对霓和虹现象的影响，透明玻璃球3的直径为6cm,也可以为5cm到10cm直径范围内的任意尺寸透明玻璃球，圆柱暗箱8是遮挡外界光线作用，保证室内室外环境下霓和虹现象都能清晰呈现在圆柱形白屏3上。

打开白光光源5，发出可见白光，入射光垂直照射在透明玻璃球5上，白光光源1与透明玻璃球5之间的距离可调节，在圆柱形白屏3上能同时观测呈现霓与虹及观测霓与虹现象随玻璃球大小的变化。

另外，本发明能够测定虹位置与入射光线的夹角。当透明玻璃球5直径大小固定时，打开白光光源1，在白屏3上观测虹(同时也能够观测到霓的出现)，通过观测虹在标尺A4-1和标尺B4-2上对应的具体刻度位置，获得虹在两标尺之间的高度差值h，利用入射光线与水平方向夹角公式θ＝arctan(h/d)，计算出θ，然后带入α＝90°–θ公式便可获得入射光线与出射光线(观测虹位置)的夹角，验证理论结果。从图3中可以看出：

首先，该装置能清晰地看到虹与霓现象。

其次，根据标尺A4-1和标尺B4-2之间的水平差d＝2.5cm和高度差值h，入射光线与水平方向夹角为θ＝arctan(h/d)，计算得入射光线与出射光线(观测虹位置)夹角α＝90°–θ。对于观测虹，测量值h＝3.0cm，代入式中计算得观测虹位置与入射光线夹角约为40度；测量结果与理论值(40度-43度)吻合，验证了测量和计算方法的正确性。

本装置体积小、效率高、成本低，能同时观测呈现霓与虹现象及模拟水滴大小对霓与虹现象形成的影响。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种再现霓与虹的观测装置，其特征在于，所述的观测装置基于光学方法实现，能够同时再现整圆形霓与虹现象，演示霓与虹形成的光学原理，测量虹观测位置与入射光线的夹角；所述观测装置包括白光光源(1)、带光源口的遮光盖(2)、圆柱形白屏(3)、霓与虹标尺(4)、透明玻璃球(5)、透明玻璃球支架(6)、暗箱骨架(7)、圆柱暗箱(8)和底座(9)；

所述的暗箱骨架(7)由三个复合板构成，任意两个相邻复合板之间的夹角为120度；三个复合板的底部固定在底座(9)上，三个复合板的顶部相交处安装带光源口的遮光盖(2)；三个复合板靠近中心的一侧中部均设有相同大小的矩形缺口，用于放置圆柱暗箱(8)；所述的三个复合板为复合板A(7-1)、复合板B(7-2)、复合板C(7-3)，其中，复合板A(7-1)与复合板B(7-2)之间为观测面，复合板A(7-1)与复合板C(7-3)，复合板B(7-2)与复合板C(7-3)之间为观测装置背面；

所述的圆柱暗箱(8)固定在暗箱骨架(7)三个复合板中间的矩形缺口处，圆柱暗箱(8)包括上下两部分：所述圆柱暗箱(8)的下半部分为完整空心圆柱结构且底部有封口，其底面不与底座(9)表面接触；所述圆柱暗箱(8)的上半部分在观测面开口120度的豁口，复合板A(7-1)与复合板C(7-3)之间和复合板B(7-2)与复合板C(7-3)之间设有弧形壁面结构，圆柱形白屏(3)贴在该弧形壁面的内壁，圆柱暗箱(8)的上半部分的顶部嵌在遮光盖(2)圆环结构内；

所述的带光源口的遮光盖(2)为顶部封口的圆环结构，顶面中部设有通孔，用于安装白光光源(1)；所述白光光源(1)在垂直方向可上下移动；

标尺A(4-1)、标尺B(4-2)均用于标记霓和虹的对应位置，具体的：所述的标尺A(4-1)为薄片状结构，其上设有刻度线，标尺A(4-1)粘贴在圆柱形白屏(3)最右侧壁面上，紧邻复合板A(7-1)开设的矩形缺口处，其中标尺A(4-1)的刻度线贴合白屏(3)壁面；所述的标尺B(4-2)为矩形板状结构，其上设有刻度线，标尺B(4-2)垂直布置在复合板A(7-1)上其中标尺B(4-2)的刻度线与复合板A(7-1)垂直；所述标尺A(4-1)、标尺B(4-2)的长度相同，其顶部与圆柱暗箱(8)顶部平齐，底部与透明玻璃球(5)的顶面平齐；所述的标尺A(4-1)、标尺B(4-2)能够标记出虹的对应位置，通过两个标尺之间的水平距离及相应的几何关系式，获得其出射光线与入射光线的夹角；

所述的透明玻璃球支架(6)位于圆柱暗箱(8)下部圆环结构的中间，固定在暗箱骨架(7)上；所述的透明玻璃球(5)放在透明玻璃球支架(6)上，透明玻璃球(5)位于白光光源(1)正下方；

所述的白光光源(1)的出射光中心正对透明玻璃球(5)球心，经透明玻璃球(5)折射反射在圆柱形白屏(3)上能同时观测到霓和虹现象；白光光源(1)发出的光照射在透明玻璃球(5)，在圆柱形白屏(3)上呈现圆形霓与虹，虹在上面而霓在下面，通过放置不同直径大小的透明玻璃球(5)，能够模拟水滴大小对形成霓与虹现象的影响。

2.根据权利要求1所述的一种再现霓与虹的观测装置，其特征在于，所述的标尺A(4-1)、标尺B(4-2)安装位置之间的水平距离为2.5cm，所述标尺B(4-2)距离复合板A(7-1)开设的矩形缺口为2.5cm。

3.根据权利要求1所述的一种再现霓与虹的观测装置，其特征在于，所述的透明玻璃球(5)直径尺寸为5cm-10cm。

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