教学时光

初中科学教学中色光合成的研究

                                  ——对教材的一些改进及建议

牛顿在挡黑的窗子上开一个小孔，再在小孔后放一个三棱镜，让从小孔进来的阳光通过三棱镜投射到远处的对面墙上，在墙上得到了各种色光。那么由白光色散后的色光能否重新合成白光呢？华师大版的初中科学课本七下第89页，提到“牛顿还使色散后的七种色光再经过一个相反装置的棱镜，各种色光又能复合成白光。”并配有一幅彩色的三维模拟图。如图1所示。实际的光路图真是如图中所画的吗？其实这张图是错误的。

色散后的各种色光复合成白光

图1

一、   插图错在哪里？

从图中看出，两个棱镜完全相同，且相互靠近的两个面相互平行。一束白光斜射入第Ⅰ个棱镜，发生色散后，上红下紫发散地射出，（靠近棱镜顶角为红光），再上红下紫发散地射入第Ⅱ个棱镜，然后会聚成白光，且与入射到第Ⅰ个棱镜的入射光相互平行，且完全一样。

根据光路可逆，现假设让白光从第Ⅱ个棱镜斜射入，发生色散，应该靠近顶角依次为“红到紫”，但图中显示，在第Ⅱ个棱镜中，靠近顶角依次为“紫到红”，显然是自相矛盾的。所以图1是完全错误的。

现在我们按折射规律画出其光路图。如图2

图2

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得出结论：对于任何一条光线来说，其在第Ⅱ个棱镜中的路径与在第Ⅰ个棱镜中的路径是相互平行的；从第Ⅱ个棱镜射出的出射光必定与入射到第Ⅰ个棱镜的入射光是相互平行的。比较两个图，可以发现图1错在第Ⅱ个棱镜中的路径应是发散的，而不是会聚的;射出的出射光应是互相分离且平行的色光，而不是由各种色光完全重叠在一起而成的与入射到第Ⅰ个棱镜的入射光完全一样的白光。发生上述错误的原因，恐怕是在潜意识中错用光路可逆的原理吧。

二、  “色散后的七种色光再经过一个相反放置的棱镜，各种色光又复合成白光”正确吗？

有人会问，按书中介绍的用两个完全相同的三棱镜，做实验能否得到白光呢？可以的，中学配套的“光的色散与合成演示器”就是这样设计的。做过这个实验的老师有经验，为了通过两个棱镜后射出的光是白光，必须让两个棱镜靠得足够近，比如紧贴在一起。（《关于中学物理教学中连续光谱复合白光的实验研究》为题发表在《物理通报》2002年第1期，一文中提到“两棱镜的平行平面间的距离小于6mm时，才能在白屏上得到复合白光，如果两平行平面间的距离大于6mm，就不能得到复合白光。”）

但笔者以为，这不能认为实现了色光的复合。因为第Ⅱ个棱镜接受的根本不是足够色散的光，（用光屏在该处承接，显示的明明是白光），没有“散”，何以谈“合”呢。这是其一。

其二，所谓复合的“白光”，与入射在第Ⅰ个棱镜的白光是有区别的，它是互相平行的色光，只是色光之间的距离非常小，人的肉眼无法辨别，看过去仍为“白光”。把两个棱镜靠得足够近，相当于一束白光入射在平行砖上，我们通常看不到色散现象。如图3.如果白光足够细，平行砖也足够厚，白光通过平行砖也可看到色散现象的。同理，如果三棱镜足够大，即使两个棱镜贴得再近，也无法再复合成白光。

图3

由此可见，课本中的提法“色散后的七种色光再经过一个相反放置的棱镜，各种色光又复合成白光”是欠妥当的，而图1是完全错误的。

三、色光复合成白光的实验方法

那么有没有让“真正”色散的色光复合成“白光”呢？有。

[方法一]：如图4

图4

让一束白光斜射入三棱镜，在三棱镜后边彩色光束通过的路径上放一个凸透镜，让所有彩色光都通过它，经它会聚后，在相隔一定距离的地方，用一张白纸挡住会聚光，这样会观察到那些彩色光以重新复合成白光。把挡光的纸来回移动，这样不仅可以找到在哪个位置彩色光合成白光较为完善，还可以看到彩色光如何逐渐会聚成白光，然后经过哪个位置以后又重新离散分开成为彩色光。分开后的这些彩色光的颜色与合成前一样，只是排列顺序反了过来。

这个实验用初中学校已有的仪器还是能做到的，普通房间和暗室都能成功。该方法是牛顿当年写给友人英国皇家学会秘书奥登伯格的信中提到的，但没有历史资料说明牛顿本人确实做过。

[方法二]：如图5

图5

在图2的第Ⅱ个棱镜后加一个凸透镜，在两个棱镜后就可得到会聚的白光。同方法一，在第Ⅱ个棱镜后的不同位置也可得到方向相反的彩色光。

[方法三]：

按图2中的方法，两棱镜距离过远，不能复合得到白光，是由于白光经过第Ⅰ个棱镜的两次折射后，成为了发散光束，能否让色光在射入第Ⅱ个棱镜前就已会聚。利用凸透镜的会聚作用，在两个棱镜之间增加一个柱形凸透镜，把从第Ⅰ个三棱镜射出的发散光束变为会聚光束后，再射入第Ⅱ个棱镜，就能把色光复合成白光。如图6.

图6

同方法一二，也可在第Ⅱ个棱镜后的不同位置得到方向相反的彩色光。

四、如何复合得到与入射光完全一样的白光呢？

上述方法一、二、三都可以得到由色光复合成的白光，但有一个共同的特点，只能在某个特定的位置是白光，远离该位置则为彩色光且方向相反，而且射出的光与入射前的白光是不同的，因为入射光在任何位置都是白光。有没有办法让射出的光与入射前的白光完全一样，也在任何位置都是白光呢？

[方法四]：

根据光路可逆，为了让射入第Ⅰ个棱镜的白光与射出第Ⅱ个棱镜的光完全一致，成“镜像对称”，那么务必就要让射出第Ⅰ个棱镜的色光与射入第Ⅱ个棱镜的色光也成“镜像对称”。有没有办法达到这个要求呢？在两个完全一样的棱镜之间放入两个凸透镜。如图7.

图7

此时从第Ⅱ个棱镜射出的白光才与入射前的白光完全一致，把光屏放入出射光束的任何一个位置都是白光。

五、对教材的一些建议

课本中提出的仅用两个完全相同的三棱镜，“各种色光又复合成白光”，欠妥当。比较上述四个实验方法，从操作看，第一个方法最方便，中学现有的实验条件能做成功；第二、三个方法较复杂，第四个方法最复杂，操作也最不方便，比较难成功。但从效果上看，第四个方法复合的白光是最理想的，也是最完美的，它是由入射光白光经色散后，又复合还原成与原来一模一样的白光。书中的插图，如图2，或许就是太追求完美，想当然的画错的。

本人以为课本以提供方法一的实验方法为妥，书中错误的插图应去掉，改画方法四介绍的实验原理图。

参考文献

魏群、杨雄生《关于中学物理教学中连续光谱复合白光的实验研究》 物理通报2002年第1期

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