牛顿对光学的研究

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2021年02月11日 05:30
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2021年2月11日发(作者:蛰伏的意思)


牛顿对光学的研究




英国物理学家牛顿(


,1642-1727


< br>


1


.色散现象的早期研究


< /p>


色散也是一个古老的课题,最引人注目的是彩虹现象。早在


13< /p>


世纪,科学家就对彩虹的成因进行了探讨。


德国有一位传教士叫西奥多里克(


Theodoric


)< /p>


,曾在实验中模仿天上的彩虹。他利用阳光照射装满水的大玻璃球壳,

观察到了和空中一样的彩虹,以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象。不过,他进一步解 释没有摆脱


亚里斯多德的教义,继续认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。 光的四种颜色:红、黄、绿、蓝,处于白与


黑之间,红色接近白色,比较明亮,蓝色接近 黑色,比较昏暗。阳光进入媒质(例如水)


,从表面区域折射回来的是红色


或黄色,


从深部折射回来的是绿色或蓝色。


雨后天空 中充满水珠,


阳光进入水珠再折射回来,


人们就看到色彩缤纷的 景象。



笛卡儿对彩虹现象也有兴趣,他用实验检验西奥多里克的认述。



在他的《方法论》



1637


)中还有一篇附录,专门讨论彩虹,并且介绍了他自己做过的棱镜实验,如图所示。他用三


棱镜将阳光折射后投在屏上,发现彩色的产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成。因为不论光 照在棱镜的那一部位,折


射后屏上的图象都是一样的。遗憾的是,笛卡儿的屏离棱镜太近 (大概只有几厘米)


,他没有看到色散后的整个光谱,只


注意到 光带的两侧分别呈现蓝色和红色。



1648

< br>年,布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是浓缩了的光,蓝色是稀释了的 光;


之所以会出现五颜六色,是由于光受物质的不同作用,因而呈现各种不同的颜色。< /p>



17


世纪正当望远镜、显微镜问世,伽 利略运用望远镜观察天体星辰,胡克用显微镜观察小物体,激起了广大科学界的


兴趣。然 而,当放大倍数增大时,这些仪器不可避免地都会出现象差和色差,使人们深感迷惑。



人们不理解,为什么在图象的边缘总会出现颜色?这和彩虹有没有共同之处?这类现象有 什么规律性?怎样才能消


除?



这时, 牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗(


Isaac Bar row,1630-1677



,对光学很有

< br>研究。牛顿听过他讲光学,还邦他写《光学讲义》


。牛顿很喜欢做光学实验,还亲 自动手磨制透镜,想按自己的设计装配


出差的显微镜和望远镜。这个愿望激励他对光的颜 色的本性进行深入的探讨。



2


.牛顿对色散现象的思考



牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过:“运动慢的光线比运动快的光线折射 得更厉害,”胡克


描述过肥皂泡的颜色变化,认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不 同印象。红色和蓝色是原色,其它颜色都是由这两


种颜色合成和冲淡而成。牛顿注意到这 些说法的合理成分,同时也提出许多疑问。



在牛顿留下的手稿中,记录了许多当年的疑问微压测高计思考,



例如,他问道:



如果光是脉冲,为什么不像声音那样在传播中偏离直线?



为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快?



为什么水比水蒸汽更清晰?



为什么煤是黑的,煤烧成的灰反而是白的?


< br>牛顿不满意前人(包括他的老师)对光现象的解释,就自己动手做起了一系列的实验。


3


.牛顿的色散实验



牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发,又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充满水的烧 瓶代替棱镜,屏距


折射位置大约


60


厘 米,玻意耳把棱镜散射的光投到


1


米多高的天花板上,而牛顿则 将距离扩展为


6-7


米,从室外由洞口


进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。这样,他就获得了展开的光谱,而前面的几位实验者只看到两侧 带颜色


的光斑。


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