牛顿对光学的研究
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牛顿对光学的研究
英国物理学家牛顿(
,1642-1727
)
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1
.色散现象的早期研究
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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<
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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
)<
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,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。<
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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。