光的色散三稜鏡模擬指南

物理中級閱讀時間: 3 分鐘

概述

1666年，牛頓在暗室中讓一束太陽光穿過三稜鏡，牆上竟然出現了如彩虹般絢爛的七色彩帶。這一實驗徹底打破了「光是純淨單一實體」的傳統認知。本實驗帶你重溫牛頓的經典發現，通過三稜鏡模擬白光的分解過程，探究不同單色光在折射性能上的微小差異。

背景知識

在牛頓之前，人們普遍認為白光是最純淨的，而顏色是由於物體對光產生的某種「污染」。牛頓通過著名的「三稜鏡實驗」證明了白光其實是由不同顏色的光混合而成的。更巧妙的是，他利用第二個三稜鏡將七色光重新合成為了白光，無可辯駁地證實了光的色散理論。這一發現開啟了光譜學的大門，讓我們甚至能分析億萬光年外恆星的成分。

核心概念

光的色散 (Dispersion)

複色光分解為單色光的現象。白光通過三稜鏡後，分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的光。

光譜 (Spectrum)

複色光分解後，各單色光按波長（或頻率）大小依次排列的彩色光帶。它是白光的「指紋」。

折射率與頻率/波長

n_{\text{violet}} > n_{\text{red}}

介質對不同顏色光的折射率是不等的。頻率越高、波長越短的光（如紫光），其中折射率越大，偏折越顯著。

公式與推導

偏折程度與折射率關係

\delta \propto n - 1

由於玻璃對紫光的折射率

n

較大，因此紫光在通過稜鏡時偏離原傳播方向的角度

\delta

最大，紅光最小。

實驗步驟

1
重現牛頓實驗
觀察白光束射入三稜鏡的過程。光線在稜鏡的第一個介面發生了什麼變化？進入稜鏡內部後，光束依然是白色的嗎？
2
探究偏折角度
拖動「入射角」滑塊，改變光線的入射方向。仔細觀察離開稜鏡的彩色光帶，哪種顏色的光偏折得最厲害（位置最低）？哪種偏折最小？
3
對比光譜排列
記錄下七色光的順序：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。對比它們的波長數據，你發現折射率大小與波長之間有什麼規律？
4
探索不可見光
點擊「顯示紅外線」和「顯示紫外線」。它們分別位於光譜的哪個區域？通過這個分布，你能猜想為什麼紅外線具有顯著的熱效應嗎？

學習目標

確認白光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種單色光組成的複色光
掌握色散後的光譜排列順序及其背後代表的偏折能力差異
理解三稜鏡色散的原理：同種介質對不同波長的光折射率不同
認識光譜中的不可見區域（紅外線區與紫外線區）

生活應用

彩虹：雨後陽光射入空氣中的小水滴，經過折射、反射、再折射，發生了色散現象
光譜分析：科學家通過分析遙遠恆星發射的光譜，可以判斷其組成元素
光纖通信：利用色散補償技術來保證信號在長距離傳輸中的完整性
寶石鑑定：鑽石的高色散值（火彩）是其美麗動人的重要原因，也可用作真偽判定

常見誤區

誤區

三稜鏡給光「染」上了顏色

正解

錯誤。三稜鏡只是把白光中本就存在的各種單色光通過不同的折射路徑「分揀」了出來，它並沒有產生新的顏色。

誤區

紅外線是紅色的，紫外線是紫色的

正解

錯誤。紅外線和紫外線都是不可見光，肉眼無法看到。我們平時看到取暖器發出的紅光通常是伴隨產生的可見紅光，而非紅外線本身。

準備好了嗎？

現在你已經了解了基礎知識，開始動手實驗吧！

開始實驗開始練習

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