牛顿白光还原实验研究与新设计方案

2011-07-25朱广应陈永涛

物理教师 2011年9期

朱广应陈永涛

(1.云南省宣威市七中,云南宣威 655400;2.云南省宣威市六中,云南宣威 655400)

色散后的七色光还原为白光的实验是牛顿在1666年完成的,牛顿曾让太阳发出的白光经三棱镜折射,结果得到了各种单色光.这是由于各种单色光在棱镜中折射率不同的缘故.那么由白光色散后的七色光是否再在光路上加一个同样的倒置三棱镜就可以还原出原来的白光呢?本刊2000年第8期《究竟怎样做才能将色散后的色光还原成白光》——本文中称文1,其中讲到作者按史料记载的牛顿的色光还原实验方法做了此实验,原文中有如下论述:

“笔者在自家的只有一扇玻璃窗的储藏室内完成了这一实验,首先用厚纸将玻璃窗遮住,并在厚纸的适当地方打出一个直径约为0.6 cm左右的圆孔.当阳光直射该窗时,墙壁上可见一个白色光斑.然后把一块三棱镜一面向上,折射棱向下,置于光的入口处,可见由此棱镜折射到屋顶上的鲜艳的彩色光带,接着将另一块完全相同的三棱镜折射棱向上,平行放置于前一棱镜的斜上方2 cm～5 cm处,如图1所示.使经第一棱镜射出的色光带恰好在第二棱镜的折射面上.此时,屋顶上的彩色光带不见了,在墙壁上重新出现了一个原形的白色光斑,该光斑与不经棱镜折射的光斑只是亮度梢差一些”

图1

本刊 1999年第10期《两个三棱镜能将白光还原吗?》——本文中称文 2,该文中讲到不可能用两个相同的三棱镜完成上述实验,理由如下:

图1左半部分白光经三棱镜 A后色散为单色光的光路图是正确的.但所得到的单色光经三棱镜B折射后,依据光的折射定律却不应得到图1右半部分光路图.有人认为,根据光路可逆性原理,很容易得出白光经正立的三棱镜A后色散为各种单色光,又经倒立的三棱镜B后复合为白光.虽然光路可逆,但经三棱镜 A后单色光出射已成放射状.离三棱镜 A越远,所得的单色光带越宽.所以单色光到达三棱镜B时不具备由三棱镜A出射时的相同条件,也就是说,图1光路图不可能以三棱镜 A、B间某点来中心对称,图1所示光路图不正确.正确的光路图应为图 2”.文中认为两块相同的三棱镜不能完成此实验.

两文的观点谁正确呢?笔者经过认真理论研究和实验得出结论,文2对图1的光路分析正确,但牛顿的白光还原实验也是可以实现的.

图2

正如文2所述,图1的光线经第二棱镜后的光路是不正确的,正确的光路图为图2;但据此就否定此实验也是不恰当的,因这只是对单一的一条入射白光进行分析,得到了各单色光经第二棱镜后不能再次叠加而不能实现白光的还原.若实验中入射光为较宽的白色光带,则来自不同位置的白光色散后的单色光经过第二棱镜后仍可叠加,仍可实现白光的还原,光路如图3.

图3

由图3观察分析可知,光带较宽时虽能还原出白光,但这已不是同一条入射白光的严格还原,且实验结果中间部分被还原出白光,边缘上不能还原出白光.

笔者查阅史料,牛顿做此实验光带宽 0.85 cm,文1中光带宽0.6 cm均属较宽光带.为检验笔者分析的正确性,笔者按文1方法做了3个入射光带宽度分别为0.1 cm、0.6 cm、0.85 cm的实验.当入射光带宽为0.6 cm和0.85 cm时,实验结果与文1相吻合,当入射光带宽为0.1 cm时,基本不能实现白光的还原.

上述实验和理论证明,两块平行倒置的三棱镜未完成同一条白光的严格还原.怎样的实验装置能完成白光严格还原呢?本文提出两种新的实验设计,愿同行给予指导.

方法1.是用两块厚度相同的平行板玻璃砖完成白光的分解与严格还原,原理如图4.

分析:当未放入第2块玻璃砖时,白光只经过一块玻璃砖,不同色光发生的侧移不同,射出后成为平行的单色光,在光路上任何位置放接受屏可看到彩色条纹,即实现了白光分解为单色光.设光线射入第1块玻璃砖时的入射角为α,则射出第1块玻璃砖时折射角也是α.放入等厚的第2块玻璃砖,调整第2块玻璃砖的位置,使单色光射到第2块玻璃砖时入射角也为α,但第2块玻璃砖不能与第1块玻璃平行.这样将会使单色光在两块等厚的玻璃砖内发生等大的侧移,且第1块玻璃砖内的侧移是使单色光散开,而第2块玻璃砖内的侧移是使单色光靠近,散开与靠近量恰相等,致使单色光从第2块玻璃的同一点射出且和原白光平行,这等价于白光从没经过玻璃砖效果相同,在第2块玻璃砖射出的光线的光路上任何处放一接受屏均可看到白光.这样完成了白光色散后并严格还原.