“肥皂泡、圆盘上的颜色和彩虹是同一种东西吗？”
“彩虹和棱镜是一回事吗？”
自然界中，白光的光谱现象有很多种，彩虹只是其中一种。这些光谱现象的机制千差万别。如果你翻开教科书找一找，它们散落在从初中到本科的物理课本上。但孩子对这些光谱现象的认识顺序并不是由易到难，他随时都可能问你其中的某一种。
如果家长只回答“阳光是由红橙黄绿青蓝紫七种颜色组成的”，就词穷了，这也太敷衍了。如果随口说“就像三棱镜一样”，也不合适，因为对于很多光谱现象来说，它们的原理和三棱镜完全不一样，这就容易让人产生误解。
孩子提问，是因为他们珍贵的好奇心和求知欲，需要小心呵护。家长在回答问题之前，要仔细查阅问题。这里，我把一些容易混淆的白光分解现象和原理写下来，以后孩子问起，你可以陪孩子一起看。
棱镜
说起棱镜，大家都知道伟大的牛顿曾经用过棱镜，把太阳的白光分解成彩色光带。我们在学校和科学馆经常会看到类似的实验。当然，棱镜在普通商店里不容易买到，但我们可以找到替代的设备，比如这种棱镜，可以用来做这个实验。
当阳光照射到这样的镜子上时，它会反射出许多光点，形成奇妙的图案。
这个奇妙的技巧对各个年龄段的学生都有很强的吸引力。年纪较小的学生甚至可以在晒脚时观察这种光学现象（以促进维生素 D 的合成并改善钙的吸收）。这些斑点有些是白色的，但有些则是彩色的。
分色机制源自透明介质的色散，色散是指不同颜色的光在介质中传播的速度不同。
我们可以想象一下，在学校里，学生们排成一排，齐心协力练习行进。如果这样的队伍从水泥地面斜着走到旁边的草地上，会发生什么？
水泥地平整坚硬，而草地却很柔软。因此，在一排中，最先走进草地的学生会瞬间减速。这样，这一排的方向就变了，整个队伍的方向也发生了偏转，这对应着光学中的折射现象。如果有两组学生，红队和蓝队，在草地上，蓝队移动的速度比红队慢，所以蓝队偏转的程度会更大。如果一开始在水泥地上，两队是朝同一个方向移动，那么到了草地上，方向就会不一样，这对应着光学中的色散现象。
了解了介质的色散，就很容易理解棱镜分解白光的原理。
当白光照射到棱镜表面时，由于介质的色散作用，不同颜色的光传播的方向会有所不同，在棱镜的另一表面，光又发生折射，随着光传播距离的增加，不同颜色的光向不同的方向传播，最终彼此分离。
对于折边镜来说，背面镀了一层银，相当于把一个对称的棱镜折起来，最终的效果就是把不同颜色的光线分开，呈现出我们看到的彩色斑点。
我们所见到的能分解白光的棱镜，都是前后表面不平行的棱镜。其实，前后表面平行的透明物体，比如平板玻璃，也应该算是特殊的棱镜。但是，当阳光以一定角度照进室内时，我们看不到白光的分解。平板玻璃没有色散吗？
事实上，无论玻璃是什么形状，色散总是存在的。当阳光照射到玻璃的前表面时，不同颜色的光会向不同方向折射，这与在棱镜中没有什么不同。然而，当光传播到平板玻璃的后表面时，光会发生另一次折射。这第二次折射与前一次折射的角度相同，但方向相反。结果，所有不同颜色的光都返回到完全相同的方向，无论它们传播多远，它们仍然是混合的白光。
因此棱镜上就存在两个不平行的平面，使得色散效应在两次折射中不会完全抵消，从而达到分解白光的目的。
霓虹和彩虹
彩虹也是白光因介质色散而分解的现象。一些科普书籍说彩虹形成的原因“像三棱镜”。事实上，彩虹呈现颜色的机理与三棱镜在很多方面都不同。
彩虹是由太阳照射下悬浮在空中的水滴所形成的，彩虹常由两条同心的弧形带组成，最里面的叫虹，最外面的叫霓虹。
如果你仔细观察就会发现，霓虹灯和彩虹的色彩关系恰恰相反，彩虹的红色在外圈，紫色在内圈，而霓虹灯则相反。另外，霓虹灯的颜色通常比彩虹灯深，因为霓虹灯在水滴中比彩虹灯多经过一次反射。
当太阳光照射到水滴上某一点时，入射光与球面法线的夹角i称为入射角。光进入水滴后发生折射，折射角为r。当光线照射到水滴后壁时，一部分穿过水滴，另一部分则反射回水滴内部。反射光再次到达水与空气的界面，一部分穿过，一部分反射回来。这个射出来的光就是我们看到的彩虹。
水滴中的光第三次到达水与空气的界面，有一部分光会透出来，这部分透出来的光就构成了我们看到的彩虹，光每经过一次反射，就会分出一部分能量，因此彩虹的亮度会比彩虹弱一些。
光线在进出空气与水的界面时，会经历两次折射，由于水的色散作用网校头条，不同颜色的光会折射到不同的角度，但光线照射到水滴的不同位置时，对应的入射角i是不同的，因此对于彩虹来说，它的出射角A（或者彩虹的出射角B）也会随之不同，情况比棱镜要复杂得多。
比如折射率相对较低的红光，穿过水滴之后，发出的光如下图所示。
折射率较高的紫色光，其出射光如下图所示。
我们可以看到，不管是什么颜色的光，光的入射角A都会在一个很大的角度范围内发生散射，这一点和棱镜不同。当然，紫光的入射角一般比红光要小一些，下图可以更清楚地看到。
当太阳光照射到水滴的不同位置时，其入射角可以从0度到90度不等。因此，光离开水滴的入射角A也有多个可能值。不过，入射角有一个最大值，大约在41度左右。不同颜色的光，入射角的最大值也不同。我们可以想象，对于某种颜色的光，许多光线都聚集在最大入射角附近，因此在不同的观察角度，我们可以看到水滴呈现出某种特定的颜色。
上面的照片是在入射阳光比较强的时候拍摄的，我们可以看到彩虹的最外一圈是红色的。同时，由于所有颜色的光的入射角A都可能小于41度，所以我们可以看到彩虹内部有强烈的白光。
对于霓虹灯来说，某一色光的入射角B有一个最小值，而所有色光的入射角都可能比较大。我们可以看到，除了霓虹灯，还有多种颜色混合而成的白光。
有趣的是，在彩虹和霓虹灯之间的区域，观察角度大于彩虹的出射角的最大值，但小于霓虹灯的出射角的最小值。阳光照射在那里的水滴上，但没有反射回观察者，所以这个区域是一个暗带。我们可以通过与其他区域进行比较很容易地看到这一点。
经常有人问彩虹为什么是弧形的，笔者之前在“知识分子”公众号写过一篇文章，大家可以去看看，限于篇幅，这里就不再赘述了。
光栅
光栅是一种具有周期性光透射或反射结构的光学元件。这种周期性结构与我们每天看到的栅栏非常相似，只是光栅结构非常小。高级光栅通常使用精密机床雕刻在玻璃等材料上，但有时也可以在科学用品商店购买由薄膜制成的光栅。
白光经过光栅后会发生分解，这是因为光被光栅的周期性结构阻挡后，会发生衍射和干涉现象。衍射和干涉现象与光的波长有关，不同波长或颜色的光经过光栅后，在不同角度会叠加加强，在其他角度会相互抵消，这就造成了白光的分解。
将光栅贴在手机摄像头前面，在暗室中点亮一盏盘管气体放电节能灯，手机镜头不要直对灯，而是倾斜一定角度，对准较暗的背景，此时，我们就能拍摄到许多色彩斑斓的节能灯。
各种气体在节能灯管内放电时，往往会激发出几条强而窄的谱线。从某种意义上来说，我们看到的节能灯，其实可以看作是很多条不同颜色的节能灯组合而成的。这些不同颜色的光经过光栅后，以几个不同的角度向外扩散。这样，我们就能捕捉到上图所示的现象。
在我们的印象中，光栅是微小、精密且珍贵的，但实际上，一些比较大的周期性结构也能够产生干涉、衍射现象，比如，我们可以利用普通的窗纱来观察到相应的白光分解现象。
使用长焦镜头的相机拍摄夜景远景，当房间窗户完全打开时，拍摄到的场景如下图所示。
如果你通过屏幕窗口拍摄同样的场景，就会看到下面的照片。我们看到远处的灯光向四个方向散开。这些灯光是分段的，每段都是彩色的。屏幕是正方形的，是一个二维光栅，因此它的衍射干涉图案向四个方向延伸。
我们知道，某一波长的光在经过光栅时初中物理实验光盘，有时会在多个方向上互相加强，形成多级极值。光栅的结构越精细，极值之间的夹角就越大，反之，结构越粗糙，这些极值之间的夹角就越小。
窗纱每根丝之间的距离比较大，所以极大点之间的夹角比较小，所以我们可以在很小的角度范围内看到很多极大点。但是由于极大点之间的夹角很小，用肉眼观察的时候往往很难发现光线中的色彩。这就是为什么我们的相机会用到长焦镜头，长焦镜头就是起到放大透视的作用。其实我们在用望远镜观察远处的夜景的时候，也可以看到同样的现象，望远镜也是一种放大透视的设备。
过去几年，我们用光盘来存储音乐、电影或其他数据。光盘有非常精细的圆形凹槽，因此是一种很好的环形光栅。利用光盘，我们可以做很多有趣的光谱分析实验。
你可以和孩子做一个简单的实验。将一张 CD 平放在桌子上或地上，旁边放一摞书。将手机上的相机设置为视频模式，然后打开 LED 进行照明。
将手机平放在一堆书上保持稳定，镜头垂直向下对准光盘中心，小心调整手机与光盘的相对位置，就可以看到光盘上显示的 LED 的光谱。
我们可以看到发光二极管的光谱并不均匀连续，蓝色比较浓，而从红色到绿色则是比较暗的一条宽带。
很多白色发光二极管其实发的也是蓝光，只是在器件里面加了一些荧光材料，这种荧光材料会吸收波长较短的蓝光，然后转化成波长较长的红光和绿光，这样一些不同波长的光混合在一起，刺激人眼的感光细胞，我们就感觉到这种光是白色的。
显然，白色发光二极管的光谱与自然白光的光谱不同。自然白光，如太阳光、火光等，来源于黑体辐射，其光谱中不同波长成分的相对强度比较一致，没有一种颜色会比其他颜色强很多。因此，白色发光二极管是否对人眼健康有影响的问题，应谨慎对待。我们普通人能做的，就是尽量避免过度使用手机或其他电子产品的显示屏，尽可能多地接触户外自然光。
光盘有两种类型：CD 和 DVD。DVD 上的凹槽比 CD 上的凹槽更细，因此不同波长的传播角度更大。但是，使用 CD 进行实验时更容易捕获整个可见光谱，而使用 DVD 时则不那么容易捕获整个光谱。
如果光盘轴线远处还有其他较小的光源，比如小灯泡或者盘管气体放电节能灯，我们也可以捕捉到这些光源的光谱。此时手机上的发光二极管无需打开，手机相机只需要设置为普通拍照模式即可。
电影
吹肥皂泡是孩子们喜爱的游戏。肥皂泡常常会呈现出绚丽的色彩。泡泡上的颜色是一种光的干涉现象。
很多时候，我们都能看到白光在薄膜上的分解现象，比如雨天滴在路上的汽油，当它扩散成薄膜时，往往会呈现出美丽奇妙的花纹。
薄膜有上下两个表面，当光照射到上面和下面时，两个表面都会把光反射回来，从这两个表面反射回来的光会相互叠加，产生干涉。对于某一波长的光，当从一定厚度的薄膜的上下表面反射时，两束反射光可能会相互加强或抵消，反射的角度也会影响这种加强或抵消。
当我们观察胶片上的某个位置时，如果一种波长的光相互加强，另一种波长的光可能会相互抵消。例如，如果在某个位置红色得到加强，紫色可能会抵消它。相反，在另一个位置，紫色可能得到加强，红色可能抵消它。这样，胶片就呈现出丰富多彩的干涉图样。
另外我们还可以注意到，能看到白光分解现象的薄膜通常比较薄。如果薄膜太厚，前后表面反射的光波相遇时，两束光波很可能来自两个不相关的原子。这样，两束光波是加强还是抵消就变得完全随机了，而不仅仅取决于光的波长。这样的薄膜表面反射通常都是白色的。
当我们把皂膜直立起来时，在重力的作用下，皂膜会变成楔形，上部较薄，下部较厚。由于皂膜上的颜色与皂膜的厚度有关，所以直立的皂膜会呈现出横向的彩色条纹。
光弹性
光弹性是由某些透明材料（如硬塑料或有机玻璃）在内部应力的影响下产生双折射而引起的。双折射是指光在穿过某种材料时具有两种不同的折射率。例如，偏振光可以分解为两个不同的偏振分量，并且这两个偏振分量的折射率或传播速度在水或空气等介质中通常相同。但在双折射介质中，这两个偏振分量的速度可能不同。
当光线穿过一定厚度的双折射介质时，以不同速度运行的两个偏振分量重新结合，总的效应是偏振光的偏振方向发生变化。对于不同波长的光，偏振方向的变化量也不同。当这些光线穿过偏振片时，由于偏振方向不同，不同颜色光的相对强度也会发生变化。这样，我们就能看到塑料部件上的颜色。
我们拍摄这张照片的时候，用的是笔记本电脑的屏幕作为光源，液晶屏的最外层是一层偏光膜，发出的光是偏振的。
硬质塑料产品采用注塑成型，在冷却过程中，内部存在复杂的应力，介质在很多地方具有双折射现象。
放置在显示屏前的硬塑料制品本身不会产生任何颜色初中物理实验光盘，但如果在眼睛前再放一层偏光膜或者挡住摄像头镜头，就能看到绚丽的色彩。
光栅、薄膜、光弹现象产生的色谱和彩虹或棱镜的机制完全不一样，希望大家能够清楚了解这些，避免以后让小朋友混淆。
简单来说，彩虹和棱镜并不是唯一能将白光分解成各种颜色的东西。