光的色散

第三节 光的色散

1665年牛顿大学毕业，因正值英国受瘟疫侵袭，为了减少传染的机会，各校关门，牛顿也只好回到老家去。在家中，他有一段时间，就拿出各种形状和各种质量的玻璃来试验。 一天，天气很好，阳光从窗子里射到室内来，他在窗旁又拿出玻璃来试验。他才把一块三棱形的玻璃拿到手，就发现地上出现了红、黄、蓝、紫等色排成的鲜艳彩带。这是怎么回事呢？

牛顿把这三棱形的玻璃放在支架上，在它的一边放一个白纸屏，另一边放一个有缝的纸屏。当一束阳光穿过窄缝射到这一三棱形玻璃上时，在进入玻璃时要发生一次折射，从玻璃中出来时又发生一次折射。以致光线穿过它后，不仅改变了光的传播方向，而且在白纸屏上形成了一条红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色彩带。

他还想进一步搞清楚点，就又把一个凸透镜放在三棱形玻璃和白纸屏间，使经过三棱形玻璃分散的光又会聚起来，在白纸屏上又出现了白色光带。 这就是著名的牛顿的光的色散实验。

在我们的日常生活中究竟有哪些现象是光的色散现象，光色散的成因是什么，不同颜色的光在同一种介质中的传播速度是否相同，在这节中我们将会找寻到答案。

§1.3 光的色散

夏天，在一场大雨过后，天空中常会出现彩虹。它横跨半空，由红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色组成，既神奇又美丽。因此，许多的文人墨客都喜欢以它为体裁，或是讴歌或是将它的美丽传说娓娓道来，从而引发起人们很多的遐想。那究竟这样的自然现象是怎样形成的呢？与我们的物理学又有怎样的联系呢？早在13世纪科学家们就对它的成因进行探讨和分析，英国科学家牛顿运用棱镜这一种光学仪器成功地做出了与之相关的实验，由此逐步揭开了这七色彩桥的神秘面纱。

棱镜是常用的光学仪器之一，通常它是由玻璃制成的透明体。常用的棱镜是横截面为三角形的三棱镜，通常称为棱镜，棱镜可以改变光的传播方向，产生光的色散等现象。

通过棱镜的光线

图中ABC表示三棱镜，（画的为主截面）角 Φ 称为顶角，AB、AC分别表示相应的折射面。光线由空气斜射向AB面时，因为玻璃相对于空气为光密介质，故光线在镜内为近线折射，射到另一折射面AC时，由于射进光疏介质空气中，为远线折射。由此可见，光通过与周围介质相比为光密介质的棱镜后，就向棱镜底部偏折。偏折角度用 θ 表示。θ 与棱镜材料的折射率及入射角有关，折射率越大，偏折 角度越大。

当隔着棱镜看物体时，如图：我们看到的是物体经棱镜后所成的虚像，它是由射入眼睛的光线的反向延长线交汇而成的。它的位置向棱镜顶角方向偏折。

相关知识点：虹和霓 蓝色的天空 虹和霓

在希腊神话之中，Iris彩虹女神，上帝的使者，带来战争及死亡的信息。对非洲、美洲土著而言，彩虹则代表大蛇。彩虹是由于太阳光经过小水滴时，受到二次折射，一次全反射，产生第一道彩虹，偏向方向与日光行进方向成138°，因此，我们所看到的第一道彩虹呈现42°的方位角。若日光受到两次折射，两次全反射，则产生第二道彩虹，它以50°角出射，我们称它为霓。虹和霓像一对孪生姐妹，相依相随，结伴在空中。

为什么雨后的天空会出现彩虹呢？它呈现的各种颜色是怎样形成的？为什么在虹的旁边还有霓相伴？霓的颜色顺序为什么又与虹相反？

在大雨过后，天空中还残留着许多小水滴，这些小水滴的直径大约有1mm左右，它们县浮在空中，由于水的表面张力和地球的引力，每一小水滴近似于小的长椭球。这些小水滴密密麻麻地悬浮在空中，给形成彩虹准备了条件，当太阳光照射到这些水滴上，出现了规则的

折射和反射效应。

当光线入射到小水滴上，折射光线向法线偏折，进入小水滴里的光线，在发生一次全反射后，又钻出水滴，回到空气中，这时它就发生了色散。因为太阳光是平行光，每个小水滴又以相同的方式悬浮着，出射光线的方向取决于太阳光的入射部位。太阳光在水滴的不同部位入射，出射光的方向就不同。由实验可知，只有在某一个部位入射的光，出射光最强，如果我们迎着这一入射光看去，小水滴最明亮，我们把这一方向叫做小水滴的闪耀方向，这一方向为我们观察彩虹的方向。若用角度表示这一方向的话，这个角度是这样的：把你的头和太阳连成一条直线 ，小水滴的闪耀方向和这条直线的夹角大约是40°。在其它的方向上，虽然也有光线入射到你的眼睛里，但是它们太弱了，在明亮的天空背景下，你很难察觉到它们。所以，观察虹一定要在小水滴的闪耀方向上。这样的小水滴绝不是少数，而是很多，这许多的水滴位置都在一条圆弧带上，这条圆弧带与太阳到我们头顶连线的夹角约为40°，我们眼睛看到的，只有这圆弧带上的小水滴才闪闪发光。这就是为什么只能在40°角的方向上看到虹的原因了。

虹和霓呈现五颜六色我们在光色散中作了分析，这里不再重复。这里主要谈谈霓的成因。 霓因为有两次全反射，光强被吸收得多一些，出射光线就显得弱多了，红光的倾斜角度大约是50°，紫光的倾斜程度大约是63°，虹和霓对比，虹的红光出射角度大而紫光出射倾斜角度小，霓的红光出射角度小而紫光出射倾斜角度大。且不管红光还是紫光出射的倾斜角度霓都比虹要大10°左右。所以，我们抬头望去，霓在虹的外侧，颜色的排列顺序正好和虹相反。

能不能看到整个虹呢？人站在地面上，虹的另一半被地平线淹没，人的视野受到限制，只能看见一半。太阳位置越高，所看到的虹就越低，反之，当太阳位置越低，所看到的虹就越高。因为虹必须成在一定的角度上，且这一角度又和太阳的位置有关。

想想在空中的飞行员，他们看到的虹是怎样的呢？他们的视线不受地平线阻碍了，所以他们看到的是整个虹，是一个封闭的彩色光环，有时双把它叫做宝光，如果这个彩色的虹圈以云层做背景的话，还可以把飞机的影子映在云层上。可看到飞机的黑影被一个七色的彩环环绕着，是一幅非常美丽的景象。

为进一步观察虹，我们可造一道人造虹来。选择阳光比较充足的时候，下午两三点最为合适，我们背对着太阳，口里含一口水，朝向与太阳和我们眼睛的连线成40°角的方向，将水喷出，水珠喷得越细越好。沿着水珠的方向看去，就会在人造雾中看到一道美丽的虹。如果阳光充足，还可在雾中同时看到它的姐妹——霓呢。

蓝色的天空

当我们抬头仰望天空时，那辽阔的天空就像一大块蓝宝石，让我们感到它是多么神秘！ 那天空为什么会呈现蓝色呢？

实际上，所谓天空，就是地球周围的大气层。空气是无色透明的，当太阳光射向空气分子时，空气分子会对太阳光发生散射作用，这是天空呈现蓝色的原因所在。我们学习过了光的反射和折射，它们是光线遇到不同分界面时发生的现象。当光线在介质中传播，而仅是介质本身不均匀时，情况就不一样了，如：光线经过空气时，空气中含有大量的空气分子和悬

浮在空气中的一些其它微小颗粒。这是一部分光线就不能照直前进了，它向四面八方散射开来，这种现象我们就称为散射现象。实验证明，波长越短的光，散射能力越强；颗粒越细小，散射短波光的能力也越强，只有一些像水珠等较大的颗粒，才能散射波长较长的光。 当天空很洁净又很干燥时，大气中水汽很少，灰尘也很少，只有空气分子县浮在空中。空气分子的大小与光的波长相比要小得多。光线照在成群的空气分子上，短波长的光就容易朝四面八方散射开来。由计算，散射的紫光强度是散射红光强度的16倍以上。我们所看到的天空颜色是这些波长较短的散射光的综合色，呈现的是蔚蓝色。天空越洁净、干燥，这种蔚蓝色就会越深、越艳。

在日常生活中，我们也能观察到其他一些类似的现象。如大海的蔚蓝色是由大量水分子对太阳光散射的结果。点燃的香烟冒的烟也有些发蓝，是光线在成群炭粒散射的结果。这和天空呈现蓝色的道理是一样的。

当距地面越高，空气密度越低，散射光波长就越短，光线也越暗。在没空气的外太空，天空就全黑了。这种黑色的天空曾有一名宇航员这样形容：“太阳在高空县挂着，像是个金色的大圆盘，而天空却象一面黑色的天鹅绒的幕布，那一颗颗的星星就像镶在黑幕布上的宝石一样，闪闪发着光。”

这样壮丽的景色也可以在月亮、火星上看到，在这些星球上没有散射光线的大气层，即使是白天，也不会看到发亮的天空，如那里有人的话，他们绝对不懂什么叫“天亮”，他们要是到地球上来，看到这蔚蓝色的天空还会感到恐惧呢！

即使在地球上，天空的颜色也并不总是蔚蓝色的，只有在晴朗干燥的天气里，才会呈现蔚蓝色。但是当天空充满水气或颗粒较大的尘埃时，由于阳光中长波长的光也开始大量被散射，天空就是灰白色了，在污染情况严重的城市上空，天空常常是灰白色的，那是一种大气污染较严重的危险信号。

在发生沙尘暴的时候，天看上去为黄色，人们认为这是天空充满黄土的原因。其实这不是主要原因。在沙尘暴的天气里，天空充满了一种颗粒较小的灰尘，它们除散射波长较短的光以外，还能散射一部分波长更长的光，这些散色光的综合色为黄颜色。

每天一早一晚，日出日暮的时候，天空的颜色也不是蓝的，而是红彤彤的。这是因为在日出和日落时，太阳光要穿过很厚的大气层才能射到人们的眼睛里，这厚度是太阳在头顶上直射时大气厚度的35倍。太阳光进入大气以前还是白色，穿过这么厚的大气层以后，波长短的紫光、蓝光和绿光，几乎被空气分子散射殆尽。最后到达人们眼里时，只剩下波长较长的光线了，所以人们看到的太阳就变成赤红色的了，实际上这并不是太阳的本来颜色。

光的色散

光的色散实验

在光具座上固定一个玻璃三棱镜和一个可以移动的光屏。让一束白光通过三棱镜，移动光屏，我们就可观察到按红、橙、黄、绿、蓝、青、紫次序排布而成的光带。其中，红光向顶部偏折，紫光向底部偏折。这是牛顿于1666年首次通过实验发现的。

【由实验表明】（1）白光是复色光，它由各单色光组成。（2）同一介质对不同色光有不同的折射率。

由n=c/v可知：不同色光在介质中的传播速度不同，红光偏折最小，其折射率最小，故红光的传播速度最大，紫光偏折最大，故紫光速度最小。

【单色光和复色光】不能再进行色散的光叫单色光。由几种单色光复合而成的光叫做复色光。 【光的色散】 由复色光分解成单色光的现象叫光的色散。

【光色散原因】由于各色光在真空中的传播速度是一样的，都是3×10m/s，进入介质后，各色光的频率不变，其中频率大的光其速度变得较快，由公式n=c/v可知，不同频率的光折射率不同，所以白光经过棱镜会发生色散现象。

【彩虹的成因】 当来自太阳的白光照射到天空中的小水滴时，就会出现彩虹。因为雨滴类似于小的棱镜，能折射、反射和分解白光。彩虹中各种颜色光的排列次序总是一样的。因为波长越短的光被雨滴折射而发生弯曲的程度越大，波长越长，弯曲越小。由于红光波长最长，紫光波长最短。因此，彩虹的色彩排列总是相同的，也即白光分解后的由红到紫的排列顺序。

【冕牌玻璃对几种色光的折射率】

色光 折射率 紫 1.532 8 蓝 1.52绿 1.519 7 黄 1.514 橙 1.513 红 1.518

自测题

单项选择题

1、 如下图所示,两束颜色不同的单色光束A和B分别沿半径方向射入半圆形玻璃砖,出射光线都沿OP方向,下列说法中正确的是

A A穿过玻璃砖所需时间较长

B B穿过玻璃砖所需时间较长

C 光由玻璃射向空气发生全反射

时,A的临界角小.

D 光由空气射向玻璃发生全反射

时,B的临界角小.

2、 已知某种无色透明液体对红光、绿光、蓝光的折射率分别为1.512、1.532、1.534，如果这些光从液体中射向液体与空气的交界面并且入射角等于绿光的临界角。从液体上方俯视看，液体呈现的颜色是

A 蓝色 C 红色

B 绿色 D 三种颜色都有