大氣散射演示裝置使用說明

1、大氣散射演示裝置使用說明一. 演示目的 本裝置用于演示為小顆粒的瑞利散射與波長的關(guān)系,以及光的偏振性質(zhì).二. 性能參數(shù) 電源電壓為交流220V;光源功率為150W. 外形尺寸750mm×200mm×300mm三. 裝置結(jié)構(gòu)1. 機(jī)箱2. 光源3. 聚光鏡4. 排熱風(fēng)扇5. 水箱四. 操作過程1. 將8公升清水倒入有機(jī)玻璃水箱，在水中溶入110克大蘇打。接通電源開關(guān)，因?yàn)樗峭该鞯模瑳]有折射，所以從側(cè)面看不到水中的光柱，可看到燈光透過水照射在屏上的白色光斑。2. 將20ml的濃硫酸分散滴入水中，經(jīng)過不長時(shí)間，硫酸與大蘇打（硫代硫酸鈉）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，析出微小的硫磺顆粒，懸浮于水

2、中，水變渾濁。這時(shí)，可看到水中的光柱，它是硫磺微粒散射的緣故。散射光柱呈微蘭色。觀察屏上的光斑呈橘紅色。說明入射光中波長較短的光波散射較強(qiáng)，而被散射，波長較長的光波散射較弱。這與天空的蘭色和晚霞的紅色是一個(gè)道理。3. 如在水箱與觀察屏之間放一偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片，可看到散射光是偏振的。五相關(guān)說明1.若水箱中注入溫水，硫磺微粒析出較快，可縮短演示時(shí)間。2.滴入水箱中的硫酸量要適中，滴入量少，則硫磺析出的時(shí)間較長，滴入量過多，較快的析出較大顆粒硫磺，散射光呈乳白色。3.水箱下的皮棉保留。六.相關(guān)知識(shí)1. 大氣對(duì)太陽輻射的散射太陽輻射通過大氣時(shí)遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點(diǎn)時(shí)，都要發(fā)生散射。但散射并不

3、象吸收那樣把輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而只是改變輻射方向，使太陽輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播開來。經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。如果太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣分子，則輻射的波長愈短，被散射愈厲害。其散射能力與波長的對(duì)比關(guān)系是：對(duì)于一定大小的分子來說，散射能力和波長的四次方成反比，這種散射是有選擇性的。例如波長為0.7微米時(shí)的散射能力為1，波長為0.3微米時(shí)的散射能力就為30。因此，太陽輻射通過大氣時(shí)，由于空氣分子散射的結(jié)果，波長較短的光被散射得較多。雨后天晴，天空呈青蘭色就是因?yàn)檩椛渲星嗵m色波長較短，容易被大氣散射的緣故。如果太陽輻射遇到直徑比波長大的質(zhì)點(diǎn)，雖然也被散射，但這種

4、散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣被散射。如空氣中存在較多的塵埃或霧粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色的。有時(shí)為了區(qū)別有選擇性的散射和沒有選擇性的散射，將前者稱為散射，后者稱為漫射。2.天為什么是藍(lán)的，而不是其它顏色的呢? 這是因?yàn)樘柟馐怯杉t、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色組成的。這七種顏色的光波長是不一樣的。大氣中的塵埃以及其他微粒散射藍(lán)光的能力大于散射其他波長較長的光子的能力，因此天空顯現(xiàn)出藍(lán)色。大氣對(duì)光線的散射主要有兩種：丁達(dá)爾散射和瑞利散射。其中塵埃、水霧等能在空氣中形成膠體的微粒對(duì)光的散射屬于丁達(dá)爾散射，丁達(dá)爾散射的特點(diǎn)是散射光的強(qiáng)度與光波波長無關(guān)，因此白光

5、散射后仍然是白光，在地平線附近看到的白蒙蒙一片就是丁達(dá)爾散射現(xiàn)象。還有一種是瑞利散射，是由極小微粒（分子、原子等）產(chǎn)生的散射，其散射光強(qiáng)度與光波波長的四次方成反比，已知可見光的波長范圍是400nm（藍(lán)紫光）到700nm（紅光），紅光端波長是藍(lán)紫光波長的1.75倍，因此藍(lán)紫光散射強(qiáng)度接近紅光散射強(qiáng)度的十倍，又因?yàn)槿搜蹖?duì)紫光不太敏感，所我們看到的天空就是藍(lán)色的。 如果把光線設(shè)想為波浪，這就容易解釋了。光其實(shí)是像一個(gè)個(gè)波浪那樣在運(yùn)動(dòng)的。設(shè)想一下一滴雨落在一個(gè)水洼里的情景，當(dāng)這滴雨落到水面上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生小波浪，波浪一起一伏地變成更大的圈，向著四面八方擴(kuò)展開去。如果這些波浪碰上一塊小石子或一個(gè)別的什么障

6、礙物，它們就會(huì)反彈回來，改變了波浪的方向。 而陽光從天空照射下來，一樣會(huì)連續(xù)不斷地碰到某些障礙。其中百分之九十九不是氮?dú)獗闶茄鯕猓溆鄤t是別的氣體微粒和微小的漂浮微粒，來源于汽車的廢氣、工廠的煙霧、森林火災(zāi)或者火山爆發(fā)出來的巖灰。雖然氧氣和氮?dú)馕⒘Ｖ皇且坏斡晁囊话偃f分之一，但是它們也照樣能阻擋陽光的去路。光線從這些眾多的小“絆腳石”上彈回，自然也就改變了自己的方向。 可是那么多顏色的光改變了方向，為什么只有藍(lán)色被看到呢？ 再回到剛才說的那個(gè)水洼里。 水洼里，小的波浪遇到小石子的話，水面便被搞得混亂不堪；但如果是一個(gè)“巨浪”，像你用手在水洼邊掀起的那種“巨浪”，它就有可能干脆從石頭上溢過去，并

7、暢通無阻地到達(dá)水洼的對(duì)面邊緣。那么，就像有大波浪和小波浪一樣，各種各樣顏色的光波也有不同的“波浪”，也就是波長：不過它們小得難以想像，只是一根頭發(fā)的一百分之一！ 根據(jù)測定，藍(lán)色光和紫色光的波長比較短，相當(dāng)于“小波浪”；橙色光和紅色光的波長比較長，相當(dāng)于“大波浪”。當(dāng)遇到空氣中的障礙物的時(shí)候，藍(lán)色光和紫色光因?yàn)榉贿^去那些障礙，便被“散射”得到處都是，布滿整個(gè)天空，就是這樣被“散射”成了藍(lán)色。 發(fā)現(xiàn)這種“散射”現(xiàn)象的科學(xué)家叫瑞利，他是在130年前發(fā)現(xiàn)的，他也是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。 用“散射”現(xiàn)象，就可以解釋下面這些天象了： 比如在你頭頂?shù)奶炜帐撬{(lán)色的，可是在地平線，天空看上去卻幾乎是白色的。為什么？

8、就是因?yàn)殛柟鈴牡仄骄€到你這個(gè)地方比起它直接從空中落下來，需要在空氣中走的路程要遠(yuǎn)得多，而在一路上它所擦過的微粒子也自然就要多得多。這些大量的微粒子就這樣多次散射出光，所以它顯得白中透著淡藍(lán)。建議你做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下：拿一杯水，把它放在一個(gè)黑暗的背景里，放進(jìn)一滴牛奶，再拿一只手電筒照射杯子的一端，并靠近它，手電筒的光在水中即會(huì)顯現(xiàn)出淡藍(lán)色。如果你往水里放進(jìn)的牛奶越多，水就越白，因?yàn)楣庖辉俚厥艿竭@些眾多的牛奶微粒的散射，結(jié)果就是白色的。道理跟在地平線上空是白色的一樣。 太陽落山時(shí)的傍晚，天空不顯現(xiàn)藍(lán)色而顯現(xiàn)紅色，正在下落的太陽也變成暗紅色，也是一樣的道理。由于傍晚的光在照射到你這個(gè)地方的路上所

9、遇到的眾多的微粒，使得陽光中的紫色的和藍(lán)色的部分往四面八方散射開去，僅留下一點(diǎn)點(diǎn)使你的肉眼看得見的橙紅色光線，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL長，翻過了路上的障礙。 不過，天穹在落日后也還會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)深藍(lán)色。這也曾經(jīng)是科學(xué)家們關(guān)心的一件怪事，不過幾個(gè)物理學(xué)家已經(jīng)在50年前揭開了這個(gè)謎：導(dǎo)致黃昏時(shí)天空的藍(lán)色，是一種特別的物質(zhì)。這種特別的物質(zhì)在離地球表面20至30公里的高空處聚集成厚厚的一個(gè)層面，叫臭氧層。這種氣體對(duì)正在下落的太陽光起到像顏色過濾器那樣的作用：它截獲太陽光中的黃色和橙色的部分，卻幾乎無阻攔地讓藍(lán)色的部分通過。當(dāng)最后的少許光消失時(shí)，所有的顏色才消失在黑暗的夜色中。臭氧不僅導(dǎo)致黃昏的藍(lán)色天空，還吞下一種人眼無法看見的特殊的光線：紫外線。紫外線對(duì)所有的生物都很危險(xiǎn)。如果它在裸露的皮膚上照射得太長久，皮膚就會(huì)產(chǎn)生曬斑。臭氧層有足夠的厚度能截獲盡可能多的紫外線，這