“肥皂泡、圓盤上的顏色和彩虹是同一種東西嗎？”
“彩虹和棱鏡是一回事嗎？”
自然界中，白光的光譜現象有很多種，彩虹只是其中一種。這些光譜現象的機制千差萬別。如果你翻開教科書找一找，它們散落在從初中到本科的物理課本上。但孩子對這些光譜現象的認識順序并不是由易到難，他隨時都可能問你其中的某一種。
如果家長只回答“陽光是由紅橙黃綠青藍紫七種顏色組成的”，就詞窮了，這也太敷衍了。如果隨口說“就像三棱鏡一樣”，也不合適，因為對于很多光譜現象來說，它們的原理和三棱鏡完全不一樣，這就容易讓人產生誤解。
孩子提問，是因為他們珍貴的好奇心和求知欲，需要小心呵護。家長在回答問題之前，要仔細查閱問題。這里，我把一些容易混淆的白光分解現象和原理寫下來，以后孩子問起，你可以陪孩子一起看。
棱鏡
說起棱鏡，大家都知道偉大的牛頓曾經用過棱鏡，把太陽的白光分解成彩色光帶。我們在學校和科學館經常會看到類似的實驗。當然，棱鏡在普通商店里不容易買到，但我們可以找到替代的設備，比如這種棱鏡，可以用來做這個實驗。
當陽光照射到這樣的鏡子上時，它會反射出許多光點，形成奇妙的圖案。
這個奇妙的技巧對各個年齡段的學生都有很強的吸引力。年紀較小的學生甚至可以在曬腳時觀察這種光學現象（以促進維生素 D 的合成并改善鈣的吸收）。這些斑點有些是白色的，但有些則是彩色的。
分色機制源自透明介質的色散，色散是指不同顏色的光在介質中傳播的速度不同。
我們可以想象一下，在學校里，學生們排成一排，齊心協力練習行進。如果這樣的隊伍從水泥地面斜著走到旁邊的草地上，會發生什么？
水泥地平整堅硬，而草地卻很柔軟。因此，在一排中，最先走進草地的學生會瞬間減速。這樣，這一排的方向就變了，整個隊伍的方向也發生了偏轉，這對應著光學中的折射現象。如果有兩組學生，紅隊和藍隊，在草地上，藍隊移動的速度比紅隊慢，所以藍隊偏轉的程度會更大。如果一開始在水泥地上，兩隊是朝同一個方向移動，那么到了草地上，方向就會不一樣，這對應著光學中的色散現象。
了解了介質的色散，就很容易理解棱鏡分解白光的原理。
當白光照射到棱鏡表面時，由于介質的色散作用，不同顏色的光傳播的方向會有所不同，在棱鏡的另一表面，光又發生折射，隨著光傳播距離的增加，不同顏色的光向不同的方向傳播，最終彼此分離。
對于折邊鏡來說，背面鍍了一層銀，相當于把一個對稱的棱鏡折起來，最終的效果就是把不同顏色的光線分開，呈現出我們看到的彩色斑點。
我們所見到的能分解白光的棱鏡，都是前后表面不平行的棱鏡。其實，前后表面平行的透明物體，比如平板玻璃，也應該算是特殊的棱鏡。但是，當陽光以一定角度照進室內時，我們看不到白光的分解。平板玻璃沒有色散嗎？
事實上，無論玻璃是什么形狀，色散總是存在的。當陽光照射到玻璃的前表面時，不同顏色的光會向不同方向折射，這與在棱鏡中沒有什么不同。然而，當光傳播到平板玻璃的后表面時，光會發生另一次折射。這第二次折射與前一次折射的角度相同，但方向相反。結果，所有不同顏色的光都返回到完全相同的方向，無論它們傳播多遠，它們仍然是混合的白光。
因此棱鏡上就存在兩個不平行的平面，使得色散效應在兩次折射中不會完全抵消，從而達到分解白光的目的。
霓虹和彩虹
彩虹也是白光因介質色散而分解的現象。一些科普書籍說彩虹形成的原因“像三棱鏡”。事實上，彩虹呈現顏色的機理與三棱鏡在很多方面都不同。
彩虹是由太陽照射下懸浮在空中的水滴所形成的，彩虹常由兩條同心的弧形帶組成，最里面的叫虹，最外面的叫霓虹。
如果你仔細觀察就會發現，霓虹燈和彩虹的色彩關系恰恰相反，彩虹的紅色在外圈，紫色在內圈，而霓虹燈則相反。另外，霓虹燈的顏色通常比彩虹燈深，因為霓虹燈在水滴中比彩虹燈多經過一次反射。
當太陽光照射到水滴上某一點時，入射光與球面法線的夾角i稱為入射角。光進入水滴后發生折射，折射角為r。當光線照射到水滴后壁時，一部分穿過水滴，另一部分則反射回水滴內部。反射光再次到達水與空氣的界面，一部分穿過，一部分反射回來。這個射出來的光就是我們看到的彩虹。
水滴中的光第三次到達水與空氣的界面，有一部分光會透出來，這部分透出來的光就構成了我們看到的彩虹，光每經過一次反射，就會分出一部分能量，因此彩虹的亮度會比彩虹弱一些。
光線在進出空氣與水的界面時，會經歷兩次折射，由于水的色散作用網校頭條，不同顏色的光會折射到不同的角度，但光線照射到水滴的不同位置時，對應的入射角i是不同的，因此對于彩虹來說，它的出射角A（或者彩虹的出射角B）也會隨之不同，情況比棱鏡要復雜得多。
比如折射率相對較低的紅光，穿過水滴之后，發出的光如下圖所示。
折射率較高的紫色光，其出射光如下圖所示。
我們可以看到，不管是什么顏色的光，光的入射角A都會在一個很大的角度范圍內發生散射，這一點和棱鏡不同。當然，紫光的入射角一般比紅光要小一些，下圖可以更清楚地看到。
當太陽光照射到水滴的不同位置時，其入射角可以從0度到90度不等。因此，光離開水滴的入射角A也有多個可能值。不過，入射角有一個最大值，大約在41度左右。不同顏色的光，入射角的最大值也不同。我們可以想象，對于某種顏色的光，許多光線都聚集在最大入射角附近，因此在不同的觀察角度，我們可以看到水滴呈現出某種特定的顏色。
上面的照片是在入射陽光比較強的時候拍攝的，我們可以看到彩虹的最外一圈是紅色的。同時，由于所有顏色的光的入射角A都可能小于41度，所以我們可以看到彩虹內部有強烈的白光。
對于霓虹燈來說，某一色光的入射角B有一個最小值，而所有色光的入射角都可能比較大。我們可以看到，除了霓虹燈，還有多種顏色混合而成的白光。
有趣的是，在彩虹和霓虹燈之間的區域，觀察角度大于彩虹的出射角的最大值，但小于霓虹燈的出射角的最小值。陽光照射在那里的水滴上，但沒有反射回觀察者，所以這個區域是一個暗帶。我們可以通過與其他區域進行比較很容易地看到這一點。
經常有人問彩虹為什么是弧形的，筆者之前在“知識分子”公眾號寫過一篇文章，大家可以去看看，限于篇幅，這里就不再贅述了。
光柵
光柵是一種具有周期性光透射或反射結構的光學元件。這種周期性結構與我們每天看到的柵欄非常相似，只是光柵結構非常小。高級光柵通常使用精密機床雕刻在玻璃等材料上，但有時也可以在科學用品商店購買由薄膜制成的光柵。
白光經過光柵后會發生分解，這是因為光被光柵的周期性結構阻擋后，會發生衍射和干涉現象。衍射和干涉現象與光的波長有關，不同波長或顏色的光經過光柵后，在不同角度會疊加加強，在其他角度會相互抵消，這就造成了白光的分解。
將光柵貼在手機攝像頭前面，在暗室中點亮一盞盤管氣體放電節能燈，手機鏡頭不要直對燈，而是傾斜一定角度，對準較暗的背景，此時，我們就能拍攝到許多色彩斑斕的節能燈。
各種氣體在節能燈管內放電時，往往會激發出幾條強而窄的譜線。從某種意義上來說，我們看到的節能燈，其實可以看作是很多條不同顏色的節能燈組合而成的。這些不同顏色的光經過光柵后，以幾個不同的角度向外擴散。這樣，我們就能捕捉到上圖所示的現象。
在我們的印象中，光柵是微小、精密且珍貴的，但實際上，一些比較大的周期性結構也能夠產生干涉、衍射現象，比如，我們可以利用普通的窗紗來觀察到相應的白光分解現象。
使用長焦鏡頭的相機拍攝夜景遠景，當房間窗戶完全打開時，拍攝到的場景如下圖所示。
如果你通過屏幕窗口拍攝同樣的場景，就會看到下面的照片。我們看到遠處的燈光向四個方向散開。這些燈光是分段的，每段都是彩色的。屏幕是正方形的，是一個二維光柵，因此它的衍射干涉圖案向四個方向延伸。
我們知道，某一波長的光在經過光柵時初中物理實驗光盤，有時會在多個方向上互相加強，形成多級極值。光柵的結構越精細，極值之間的夾角就越大，反之，結構越粗糙，這些極值之間的夾角就越小。
窗紗每根絲之間的距離比較大，所以極大點之間的夾角比較小，所以我們可以在很小的角度范圍內看到很多極大點。但是由于極大點之間的夾角很小，用肉眼觀察的時候往往很難發現光線中的色彩。這就是為什么我們的相機會用到長焦鏡頭，長焦鏡頭就是起到放大透視的作用。其實我們在用望遠鏡觀察遠處的夜景的時候，也可以看到同樣的現象，望遠鏡也是一種放大透視的設備。
過去幾年，我們用光盤來存儲音樂、電影或其他數據。光盤有非常精細的圓形凹槽，因此是一種很好的環形光柵。利用光盤，我們可以做很多有趣的光譜分析實驗。
你可以和孩子做一個簡單的實驗。將一張 CD 平放在桌子上或地上，旁邊放一摞書。將手機上的相機設置為視頻模式，然后打開 LED 進行照明。
將手機平放在一堆書上保持穩定，鏡頭垂直向下對準光盤中心，小心調整手機與光盤的相對位置，就可以看到光盤上顯示的 LED 的光譜。
我們可以看到發光二極管的光譜并不均勻連續，藍色比較濃，而從紅色到綠色則是比較暗的一條寬帶。
很多白色發光二極管其實發的也是藍光，只是在器件里面加了一些熒光材料，這種熒光材料會吸收波長較短的藍光，然后轉化成波長較長的紅光和綠光，這樣一些不同波長的光混合在一起，刺激人眼的感光細胞，我們就感覺到這種光是白色的。
顯然，白色發光二極管的光譜與自然白光的光譜不同。自然白光，如太陽光、火光等，來源于黑體輻射，其光譜中不同波長成分的相對強度比較一致，沒有一種顏色會比其他顏色強很多。因此，白色發光二極管是否對人眼健康有影響的問題，應謹慎對待。我們普通人能做的，就是盡量避免過度使用手機或其他電子產品的顯示屏，盡可能多地接觸戶外自然光。
光盤有兩種類型：CD 和 DVD。DVD 上的凹槽比 CD 上的凹槽更細，因此不同波長的傳播角度更大。但是，使用 CD 進行實驗時更容易捕獲整個可見光譜，而使用 DVD 時則不那么容易捕獲整個光譜。
如果光盤軸線遠處還有其他較小的光源，比如小燈泡或者盤管氣體放電節能燈，我們也可以捕捉到這些光源的光譜。此時手機上的發光二極管無需打開，手機相機只需要設置為普通拍照模式即可。
電影
吹肥皂泡是孩子們喜愛的游戲。肥皂泡常常會呈現出絢麗的色彩。泡泡上的顏色是一種光的干涉現象。
很多時候，我們都能看到白光在薄膜上的分解現象，比如雨天滴在路上的汽油，當它擴散成薄膜時，往往會呈現出美麗奇妙的花紋。
薄膜有上下兩個表面，當光照射到上面和下面時，兩個表面都會把光反射回來，從這兩個表面反射回來的光會相互疊加，產生干涉。對于某一波長的光，當從一定厚度的薄膜的上下表面反射時，兩束反射光可能會相互加強或抵消，反射的角度也會影響這種加強或抵消。
當我們觀察膠片上的某個位置時，如果一種波長的光相互加強，另一種波長的光可能會相互抵消。例如，如果在某個位置紅色得到加強，紫色可能會抵消它。相反，在另一個位置，紫色可能得到加強，紅色可能抵消它。這樣，膠片就呈現出豐富多彩的干涉圖樣。
另外我們還可以注意到，能看到白光分解現象的薄膜通常比較薄。如果薄膜太厚，前后表面反射的光波相遇時，兩束光波很可能來自兩個不相關的原子。這樣，兩束光波是加強還是抵消就變得完全隨機了，而不僅僅取決于光的波長。這樣的薄膜表面反射通常都是白色的。
當我們把皂膜直立起來時，在重力的作用下，皂膜會變成楔形，上部較薄，下部較厚。由于皂膜上的顏色與皂膜的厚度有關，所以直立的皂膜會呈現出橫向的彩色條紋。
光彈性
光彈性是由某些透明材料（如硬塑料或有機玻璃）在內部應力的影響下產生雙折射而引起的。雙折射是指光在穿過某種材料時具有兩種不同的折射率。例如，偏振光可以分解為兩個不同的偏振分量，并且這兩個偏振分量的折射率或傳播速度在水或空氣等介質中通常相同。但在雙折射介質中，這兩個偏振分量的速度可能不同。
當光線穿過一定厚度的雙折射介質時，以不同速度運行的兩個偏振分量重新結合，總的效應是偏振光的偏振方向發生變化。對于不同波長的光，偏振方向的變化量也不同。當這些光線穿過偏振片時，由于偏振方向不同，不同顏色光的相對強度也會發生變化。這樣，我們就能看到塑料部件上的顏色。
我們拍攝這張照片的時候，用的是筆記本電腦的屏幕作為光源，液晶屏的最外層是一層偏光膜，發出的光是偏振的。
硬質塑料產品采用注塑成型，在冷卻過程中，內部存在復雜的應力，介質在很多地方具有雙折射現象。
放置在顯示屏前的硬塑料制品本身不會產生任何顏色初中物理實驗光盤，但如果在眼睛前再放一層偏光膜或者擋住攝像頭鏡頭，就能看到絢麗的色彩。
光柵、薄膜、光彈現象產生的色譜和彩虹或棱鏡的機制完全不一樣，希望大家能夠清楚了解這些，避免以后讓小朋友混淆。
簡單來說，彩虹和棱鏡并不是唯一能將白光分解成各種顏色的東西。