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  牟躍田 2017-09-30 23:30:25

  　　色散。 　　太陽光沿著一定角度射入空氣中的水滴所引起的比較復(fù)雜的由折射和反射造成的一種色散現(xiàn)象。牛頓做的的“三棱鏡”實驗，證明了色散現(xiàn)象的存在。 　　材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長的增大）而減小的性質(zhì)，稱為“色散”。右圖為幾種光學(xué)材料的色散曲線。 　　色散可通過棱鏡或光柵等作為“色散系統(tǒng)”的儀器來實現(xiàn)。如一細(xì)束陽光可被棱鏡分為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七色光。這是由于復(fù)色光中的各種色光的折射率不相同。當(dāng)它們通過棱鏡時，傳播方向有不同程度的偏折，因而在離開棱鏡則便各自分散。 　　色散能夠給人們帶來美麗的彩虹，但是如果色散發(fā)生在光通信系統(tǒng)中，就沒有那么美好了。在“損耗”術(shù)語中，我們了解到，色散是光纖傳輸中的損耗之一。隨著光纖制造工藝的不斷提高，光纖損耗對光通信系統(tǒng)的傳輸距離不再起主要限制作用，色散上升為首要限制因素之一。 　　對色散的認(rèn)識 　　在光學(xué)發(fā)展的早期，對顏色的解釋顯得特別困難．在牛頓以前，歐洲人對顏色的認(rèn)識流行著亞里士多德的觀點．亞里士多德認(rèn)為，顏色不是物體客觀的性質(zhì)，而是人們主觀的感覺，一切顏色的形成都是光明與黑暗、白與黑按比例混合的結(jié)果．1663年波義耳也曾研究了物體的顏色問題，他認(rèn)為物體的顏色并不是屬于物體的帶實質(zhì)性的性質(zhì)，而是由于光線在被照射的物體表面上發(fā)生變異所引起的．能完全反射光線的物體呈白色，完全吸收光線的物體呈黑色．另外還有不少科學(xué)家，如笛卡兒、胡克等也都討論過白光分散或聚集成顏色的問題，但他們都主張紅色是大大地濃縮了的光，紫光是大大地稀釋了的光這樣一個復(fù)雜紊亂的理論．所以在牛頓以前，由棱鏡產(chǎn)生的折射被假定是實際上產(chǎn)生了色，而不是僅僅把已經(jīng)存在的色分離開來． 　　牛頓色散認(rèn)識 　　（1）設(shè)計并進(jìn)行三棱鏡實驗當(dāng)白光通過無色玻璃和各種寶石的碎片時，就會形成鮮艷的各種顏色的光，這一事實早在牛頓的幾個世紀(jì)之前就已有了解，可是直到十七世紀(jì)中葉以后，才有牛頓通過實驗研究了這個問題．該實驗被評為“物理Z美實驗”之一。 　　牛頓首先做了一個有名的三棱鏡實驗，他在著作中記載道：“1666年初，我做了一個三角形的玻璃棱柱鏡，利用它來研究光的顏色．為此，我把房間里弄成漆墨的，在窗戶上做一個小孔，讓適量的日光射進(jìn)來．我又把棱鏡放在光的入口處，使折射的光能夠射到對面的墻上去，當(dāng)我diyi次看到由此而產(chǎn)生的鮮明強烈的光色時，使我感到極大的愉快．”牛頓的實驗設(shè)計如下圖：通過這個實驗，在墻上得到了一個彩色光斑，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫．牛頓把這個顏色光斑叫做光譜． 　?。?）進(jìn)一步設(shè)計實驗，獲得純光譜 　　牛頓在上述實驗中所得到的光譜是不純的，他認(rèn)為光譜之所以不純是因為光譜是由一系列相互重疊的圓形色斑的像所組成．牛頓為了獲得很純的光譜，便設(shè)計了一套光學(xué)儀器進(jìn)行實驗，其實驗設(shè)計如圖所示： 　　用白光通過一透鏡后照亮狹縫S，狹縫后放一會聚透鏡（凸透鏡）以便形成狹縫S的像s‘．然后在透鏡的光路上放一個棱鏡．結(jié)果光通過棱鏡因偏轉(zhuǎn)角度不同而被分開，以至在白色光屏上形成一個由紅到紫的光譜帶．這個光譜帶是由一系列彼此鄰接的狹縫的彩色像組成的．若狹縫做得很窄，重疊現(xiàn)象就可以減小到Z低限度，因而光譜也變得很純． 　　（3）牛頓提出解釋光譜的理論 　　牛頓為了解釋三棱鏡實驗中白光的分解現(xiàn)象，認(rèn)為白光是由各種不同顏色光組成的，玻璃對各種色光的折射率不同，當(dāng)白光通過棱鏡時，各色光以不同角度折射，結(jié)果就被分開成顏色光譜．白光通過棱鏡時，向棱鏡的底邊偏折，紫光偏折Z大，紅光偏折Z小．棱鏡使白光分開成各種色光的現(xiàn)象叫做色散．嚴(yán)格地說，光譜中有很多各種顏色的細(xì)線，它們都及平滑地融在相鄰的細(xì)線里，以至使人覺察不到它的界限． 　?。?）設(shè)計實驗驗證上述理論的正確性 　　為了進(jìn)一步研究光的顏色，驗證上述理論的正確性，牛頓又做了另一個實驗．實驗設(shè)計如圖所示： 　　牛頓在觀察光譜的屏幕DE上打一小孔，再在其后放一有小孔的屏幕de，讓通過此小孔的光是具有某種顏色的單色光．牛頓在這個光束的路徑上再放上第二個棱鏡abc，它的后面再放一個新的觀察屏V．實驗表明，第二個棱鏡abc只是把這個單色光束整個地偏轉(zhuǎn)一個角度，而并不改變光的顏色．實驗中，牛頓轉(zhuǎn)動diyi個棱鏡ABC，使光譜中不同顏色的光通過DE和de屏上的小孔，在所有這些情況下，這些不同顏色的單色光都不能被第二個棱鏡再次分解，它們各自通過第二個檢鏡后都只偏轉(zhuǎn)一定的角度，而且發(fā)現(xiàn)，對于不同顏色的光偏轉(zhuǎn)的角度不同． 　　通過這些實驗，牛頓得出結(jié)論：白光能分解成不同顏色的光，這些光已是單色的了，棱鏡不能再分解它們． 　?。?）單色光復(fù)合為白光的實驗 　　白光既然能分解為單色光，那么單色光是否也可復(fù)合為白光呢”為此牛頓進(jìn)行實驗．如圖55所示，把光譜成在一排小的矩形平面鏡上，就可使光譜的色光重新復(fù)合為白光．調(diào)節(jié)各平面鏡與入射光的夾角，使各反射光都落在光屏的同一位置上，這樣就得到一個白色光班． 　　牛頓指出，還可以用另一種方法把色光重新復(fù)合為白光．把光譜畫在圓盤上成扇形，然后高速旋轉(zhuǎn)這個圓盤，圓盤就呈現(xiàn)白色．這種實驗效果一般稱為“視覺暫留效應(yīng)”．眼睛視網(wǎng)膜上所成的像消失后，大腦還可以把印象保留零點幾秒種．從而，大腦可將迅速變化的色像復(fù)合在一起，就形成一個靜止的白色像．在電視屏幕上或電影屏幕上，我們能夠看到連續(xù)的圖像，其原因也正在于利用了人的“視覺暫留效應(yīng)”． 　　（6）牛頓對光的色散研究成果． 　　牛頓通過一系列的色散實驗和理論研究，把結(jié)果歸納為幾條，其要點如下： 　?、俟饩€隨著它的折射率不同而顏色各異．顏色不是光的變樣，而是光線本來就固有的性質(zhì)． 　?、谕活伾珜儆谕徽凵渎?，反之亦然． 　　③顏色的種類和折射的程度為光線所固有，不因折射、反射和其它任何原因而變化． 　?、鼙仨殔^(qū)別本來單純的顏色和由它們復(fù)合而成的顏色． 　?、莶淮嬖谧陨頌榘咨墓饩€．白色是由一切顏色的光線適當(dāng)混合而產(chǎn)生的．事實上，可以進(jìn)行把光譜的顏色重新合成而得到白光的實驗． 　?、薷鶕?jù)以上各條，可以解釋三棱鏡使光產(chǎn)生顏色原因與虹的原理等． 　?、咦匀晃锏念伾怯捎谠撐镔|(zhì)對某種光線反射得多，而對其他光線反射得少的原因． 　　⑧由此可知，顏色是光（各種射線）的質(zhì)，因而光線本身不可能是質(zhì)．因為顏色這樣的質(zhì)起源于光之中，所以如今有充分的根據(jù)認(rèn)為光是實體． 　?。?）牛頓對于光的色散現(xiàn)象的研究方法的特點。 　　從以上可看出牛頓在對光的色散研究中，采用了實驗歸納——假說理論——實驗檢驗的典型的物理規(guī)律的研究方法，并滲透著分析的方法（把白光分解為單色光研究）和綜合的方法（把單色光復(fù)合為白光）等物理學(xué)研究的方法． 　　光的色散說明了光具有波動性。因為色散是光的成分（不同色光）折射率不同引起的，而折射率由波的頻率決定。光具有粒子性Z典型的例子就是光電效應(yīng)。

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