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咦,这个实验可以看到光路耶 | 正经玩

2017-06-03 huashan 中科院物理所
1. 先睹为快

不多说,

这次实验直接上图,

这期理论分析精彩,干货满满哦

用红色激光照射在盛水的玻璃杯,

没有看到光路。

用绿色激光照射在NaCl溶液里,

也没有看到光路。

当激光照射在牛奶与水的混合溶液时,

可以明显看到光路。


致大朋友和小朋友


正经玩每周六上午会推送一个好玩的科学实验,可以由家长大朋友带着小朋友在家里动手操作。希望正经玩陪您度过每一个温馨的亲子周末,让小朋友的童年充满知识、爱和陪伴。

 ——正经玩 


2. 所需材料

激光笔,纯牛奶,食盐,所标杯,烧杯

注:激光笔用演示ppt功率级的就行,

激光功率太大照射纯水也可以显示光路,

原理部分有解释。


3. 实验步骤

慢慢地打开水龙头,

用小水流沿烧杯壁往烧杯注入一半的水量。

(大水流的小气泡会散射激光而看到光路。)

加入食盐,

搅拌溶解后再用激光做一下实验。

滴入三四滴纯牛奶搅拌后用激光做实验。


4. 原理解析

正经玩很多“老司机”估计只看标题就知道,

这次实验演示的是丁达尔现象。

即当一束光通过胶体溶液时,

从侧面可以看到一条光亮的“通路”。

在光的传播过程中,

如果遇到的微粒尺寸远大于波长,

就会发生反射;

如果微粒尺寸与波长相近,

就会发生散射,

在胶体中表现丁达尔效应。

气溶胶(云、雾、霾)也是可以发生丁达尔现象。

溶液中的微粒尺寸远小于波长,

相比胶体表现为均匀物质,

有明显散射现象,

(标粗文字部分后面高级版详细展开)

观察不到丁达尔现象,

由此可见,

丁达尔现象可以区分液体和胶体。

在激光照射搅拌牛奶与水混合的过程中,

我们明显看到光路从无到离散的“路段”,

再变到连续的过程。


---------  我割  -------


这周小编收到一本“神书”,

由中国科学技术馆编辑,

一本关于科普方面的书,

封面是这样的

首先书中开头几篇文章就深深吸引住我,

内容是中国古代具有代表性的船桥和工具,

其后是一些常见的科学知识和现象的介绍,

最后有一些关于最新和未来酷炫科技的介绍,

有些知识点后面有一些小制作,

每篇都有一个非常“有趣”的任务单,

非常适合给各位小朋友科普,

大朋友们也可以用此书激

发小朋友们的科学兴趣哦。


也可以扫下方的中国数字科技馆的二维码


---------- 高级原理版本 --------


其实,

光与物质相互作用以及产生效应是极其复杂的。

从分子理论上说,

入射光射在分子上,

将激起其中电子受迫振动而发出相干次谐波,

(此处与惠更斯原理中的次谐波不一样,

是真实振源)

只要分子密度分布均匀,

次波相干叠加的结果就是

只剩下遵从几何光学规律的光线,

其余方向的谐波完全相干抵消。

此处的“均匀”是指波长量级的统计平均。

这就是上文粗体文字的确切含义。

如果均匀性遭到破坏,

次谐波不能完全抵消,

其他方向或多或少存在光线,

这就是散射的微观定义。

而这个“均匀性被破坏”就大有文章了。

即使十分纯净的液体和气体,

由于热运动造成局部涨落也会引起散射,

即分子散射。

其散射光强度服从瑞利散射定律,

即光强与波长四次方成反比。

这解释了天空和大海为什么是蓝色的问题。

对于丁达尔现象来说,

胶体颗粒与光波波长匹配,

服从米氏散射规律。

下图是瑞利散射和米氏散射散射几率示意图

相比米氏散射,

瑞利散射强度较低,

所以用低功率激光笔照射溶液时,

基本看不到光路。

但是瑞利散射还是存在的,

这也是小编在实验材料中提醒

不要用大功率的激光笔的原因,

因为照在溶液里也可以看到较为清晰的光路。

其实,

以上考虑的都是弹性散射(即光频率不变),

如果考虑原子和更小尺度的散射,

基本是非弹性散射(光频率改变)。

如气液分子中化学键与光作用的分子光散射;

如固体中各种准粒子

声子、磁振子、激子,电子空穴,等离激元等

引起的固体拉曼光散射;

在高能领域

自由电子的康普顿散射和汤姆逊散射;

以及原子轨道电子的特征原子光散射

即原子光谱。

一般来说,

以上非弹性散射相比弹性散射几率弱很多,

人肉眼分辨不了(也有可能超出可见光范围),

必须用各种高灵敏、高分辨的仪器加以研究。


5. 上期回顾

NO.57高温锅里的水之舞

01-gxh的实验的分享如下:


02-李嘉轩的实验分享如下:



03-杨绍琦的实验分享如下:

04-COSMOS的实验分享如下:

05-汤小路(^ー^)ノ的实验分享如下:

06-laukial的实验分享如下:



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6. 往期精彩 

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