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黑夜裡點一盞虹光

緣起

最近看到一句話:黑夜裡才看得到星星,在雨後才會出現彩虹。因為匆匆瀏覽過,誤看成黑夜裡才能看見彩虹 XD

當時很納悶,就是哪來的說法阿?黑夜不正意味著沒有陽光,那是要如何看見太陽光經由水珠折射而形成的彩虹呢?

剛好這時瞥見電腦桌一隅的光碟片。我想,我找到答案了!!!

PS:於本文發佈之後,才發現有一種在月光下出現的彩虹,稱之黑夜彩虹、月虹

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先來聊聊彩虹是什麼吧

我們看到的太陽光(白光)包含許多不同顏色的色光,我們看到的七彩彩虹(紅橙黃綠藍靛紫)便是由構成白光的各色光(紅綠藍,三原色光)組合而成,而為何通常都是在雨過天青時才會看見彩虹呢?

因為下雨過後,空氣中充滿了水氣,而當太陽光照射到這些小水珠時(類似球形透鏡),不同顏色的色光會因其折射角不同而分開(因為頻率不同,折射的角度也不同),於是形成色散現象。

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圖片來源:維基百科

如下圖,當太陽所在天空中行進遇到細小的水滴時

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圖片來源:維基百科

或者使用三稜鏡分光時能看見彩虹
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而為何彩虹看起來是圓弧形的呢?

我們可以看到彩虹,是因為折射後的光線進入我們的眼睛,而當我們背對太陽以眼睛為頂點時,將所有與平行入射光線成大約42°角的折射光線連接起來(特定角度的水珠折射出來的色光才能進到我們的眼睛),就會形成一個圓錐體,圓錐的底面就是彩虹。(如下圖,我們在地面上無法看到整個彩虹圓弧,部分被地景擋住)

也可以來看看動畫怎麼演。想了解如何用數學計算彩虹的角度,請參考果殼網的〈彩虹為什麼是彎的?〉。想做圓形彩虹(七彩牛頓環)可以參考〈科學遊戲-光學-七彩牛頓環〉

此外每個人看到的彩虹都是由不同水滴折射出來的(因為每個人站的位置不同),甚至連所見到同一道彩虹上的藍光與紅光也是來自不同水滴折射出來的。

因此雨後天晴,我們都能擁有專屬於自己的七彩拱橋~~~

綜合上面敘述,如果我們要做出彩虹的效果必須具備兩個要素:

一、七彩的色光

二、圓弧形

光碟反光可以映出七彩色光,可是映出來的是圓形彩虹(似此圖),而非地面上見到的拱橋形……後來發現過年時用剩的廚房壁紙也可以跟光碟一樣映出七彩色光,而且可以彎折,這樣就可以映出拱橋形的彩虹(而且很便宜XD)。

所需材料

Camera 360

1.廚房壁紙(雷射自黏壁紙,外包裝上標示材質:雷射膜、膠)

2.用完的膠帶捲(這次採用的膠帶捲外徑約為3.4cm)

3.LED燈(我這次使用的是夾書燈,這樣可以省下做支撐架的時間)

4.膠帶、雙面膠(固定壁紙用)

做法

1.將壁紙剪一小段下來黏於膠帶捲上(如下圖)。
Camera 360

2.藉由調整膠帶捲的角度,使LED燈照射至壁紙反射的彩虹於牆壁成像(如圖)。

Camera 360

3.剪一小段雷射壁紙調好角度黏在夾書燈上面(用前面膠帶捲嘗試出的最佳角度、高度),然後按銀色開啟鈕時,就可以映出彩虹囉。
2

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大致的規格如下圖所示(LED燈)

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這次的製作中推薦使用LED燈的原因在於其指向性佳(光束角小),而指向性差的小型鎢絲燈泡四散的光會造成彩虹被掩蓋掉(如下圖)
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不過稍微改造一下之後,小型鎢絲燈泡也能映出不一樣韻味的彩虹喔(暖色系彩虹,一整個溫暖的感受)

其實就是用黑色電工膠帶遮掉大部分四散的光 XD

而這次會採用雷射自黏壁紙的原因,是因為它會產生薄膜干涉的現象

如下圖所示,在光入射薄膜時(薄膜仍具有一定厚度),有一部份的入射光會被上表面反射,另一部份透射至下表面(於交界面有發生折射),在下表面也會發生透射與反射(不特別討論這部分的透射),反射光再被上表面折射到原先介質中,而折射光和反射光相互干涉而形成新的光波。

而正如前面有提到的,各色光的折射率不同,所以當一道白光入射至薄膜時,各色光因折射角度不同而分開,所以眼睛會看到如彩虹般的顏色(像光碟表面、馬路上的油汙、肥皂泡)

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圖片來源:維基百科

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圖片來源:DieselrainbowThinfilmbubble

而科學家反過來藉由分析薄膜的反射光譜(薄膜量測),來測量薄膜的厚度、表面粗糙度、消光係數、折射率,優點在於非接觸性量測,不會傷害到薄膜表面。

參考資料:

  1. Rainbow – Wikipedia
  2. Thin film – Wikipedia
  3. Thin-film interference – Wikipedia
  4. 彩虹為什麼是彎的-果殼網
  5. Patterns in nature Light and Optics Readings
  6. Moonbow– Wikipedia

關於作者

邱文凱

相信著 "以人化物" 器物再美,缺乏人的溫度,終將不完美 而若多一分人性的溫暖,便能包容原先器物的小缺陷 這是設計科學小物的初衷 希望這些東西能充滿著溫暖,無論是手心的亦或是內心的