科学实验：「折断」的筷子与天上的彩虹——认识光的折射

一、生活中的奇怪现象

你有没有注意过这些现象：把一根筷子斜着放进装满水的玻璃杯里，筷子看起来像被「折断」了一样；游泳池里的水看起来比实际浅得多，站在岸边总觉得池底伸手可及；雨后天空出现七彩的虹桥，弯弯地挂在云边。这些现象背后，藏着同一个科学秘密——光的折射。

光是我们认识世界最重要的工具，但光在传播途中其实会「拐弯」。今天我们就通过两个简单的小实验，亲手揭开光的折射之谜，顺便弄明白彩虹到底是怎么来的。

二、实验一：筷子真的「折断」了吗？

实验材料：一个透明玻璃杯、一杯清水、一根筷子（或吸管）。

实验步骤： 1. 往玻璃杯里倒入大半杯清水。 2. 把筷子斜着插入水中，让一半没入水里。 3. 从侧面观察筷子，你会发现水下的部分「弯折」了，和水面交界的地方好像错开了一个角度。 4. 再把筷子竖直插入水中，观察一下，竖直时几乎看不出弯曲。

实验观察：筷子并没有真的折断，是我们眼睛「看错了」。为什么竖直插入看不出弯曲、斜着插入就看得很明显呢？

原理讲解：光在同一种均匀介质（比如空气）中沿直线传播，但从一种介质进入另一种介质（比如从空气进入水）时，传播方向会发生改变，这就是「光的折射」。筷子反射的光线从水中斜射入空气时拐了个弯，眼睛顺着光线反向延长，看到的「筷子」位置就偏离了真实位置，看起来像折断了一样。竖直插入时，光线几乎垂直穿过水面，偏折很小，所以看不出弯曲。

三、实验二：杯底的硬币「浮」起来

实验材料：一个不透明的小碗（或杯子）、一枚硬币、一杯水。

实验步骤： 1. 把硬币放在碗底，往后退，直到眼睛刚好看不到硬币为止（保持位置不动）。 2. 请同伴慢慢往碗里倒水。 3. 神奇的事情发生了：随着水面升高，本来看不见的硬币竟然「浮」现在你眼前！

原理讲解：起初硬币反射的光被碗壁挡住，无法进入你的眼睛。倒水后，光线从水中斜射入空气时发生折射，拐了个弯，绕过了碗壁的阻挡，正好进入你的眼睛。你的大脑以为光线是沿直线来的，于是「认为」硬币在更高的位置——硬币就好像自己浮起来了。这也是「海市蜃楼」的成因之一：远处景物的光线在密度不同的空气层之间折射，被「搬运」到了天上。

四、彩虹是怎么来的？

弄懂了折射，彩虹的秘密就解开了一半。彩虹的形成需要两个条件：阳光和小水滴。雨后空气中飘着无数小水滴，太阳光射进小水滴时，先发生一次折射，进入水滴内部，在水滴内壁上发生一次反射，最后再折射出水滴。太阳光其实是多种颜色的光混合而成的，不同颜色的光在水滴里折射的角度略有不同，红光偏折得少一点，紫光偏折得多一点，于是白光被「拆开」，按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序排列——这就是彩虹。每颗小水滴都在「拆解」阳光，无数小水滴排列起来，就成了一座横跨天际的七色桥。

五、生活中的折射

折射现象无处不在：戴眼镜的同学能看清黑板，靠的就是镜片让光线发生折射；放大镜能把字放大，也是折射的功劳；潜水员在水下看岸上的景物会觉得位置「漂移」；渔民叉鱼时，要朝着鱼在水里的实际位置偏下方叉，才能叉中——因为眼睛看到的是折射后的「假鱼」。

六、小练习

练习1：为什么水池里的水看起来比实际浅？用光的折射原理解释。

练习2：用三棱镜对着阳光，能看到什么现象？这和彩虹的原理一样吗？

练习3（挑战）：如果光从水里斜射入空气，折射光线是偏向法线还是偏离法线？和从空气进入水时相比，偏折方向有什么不同？

参考答案：练习1：池底反射的光从水中斜射入空气发生折射，向远离法线的方向偏折，眼睛沿反向延长线看到「抬高」的池底，所以水显得浅。练习2：三棱镜会把白光分解成七色光带，与彩虹原理相同。练习3：从水斜射入空气时折射光线偏离法线，与空气进入水时（偏向法线）方向相反，光路可逆。