光的色散三棱镜模拟指南

物理中级阅读时间: 3 分钟

概述

1666年，牛顿在暗室中让一束太阳光穿过三棱镜，墙上竟然出现了如彩虹般绚烂的七色彩带。这一实验彻底打破了「光是纯净单一实体」的传统认知。本实验带你重温牛顿的经典发现，通过三棱镜模拟白光的分解过程，探究不同单色光在折射性能上的微小差异。

背景知识

在牛顿之前，人们普遍认为白光是最纯净的，而颜色是由于物体对光产生的某种“污染”。牛顿通过著名的“三棱镜实验”证明了白光其实是由不同颜色的光混合而成的。更巧妙的是，他利用第二个三棱镜将七色光重新合成为了白光，无可辩驳地证实了光的色散理论。这一发现开启了光谱学的大门，让我们甚至能分析亿万光年外恒星的成分。

核心概念

光的色散 (Dispersion)

复色光分解为单色光的现象。白光通过三棱镜后，分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光。

光谱 (Spectrum)

复色光分解后，各单色光按波长（或频率）大小依次排列的彩色光带。它是白光的「指纹」。

折射率与频率/波长

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

介质对不同颜色光的折射率是不等的。频率越高、波长越短的光（如紫光），其折射率越大，偏折越显著。

公式与推导

偏折程度与折射率关系

\delta \propto n - 1

由于玻璃对紫光的折射率

n

较大，因此紫光在通过棱镜时偏离原传播方向的角度

\delta

最大，红光最小。

实验步骤

1
重现牛顿实验
观察白光束射入三棱镜的过程。光线在棱镜的第一个界面发生了什么变化？进入棱镜内部后，光束依然是白色的吗？
2
探究偏折角度
拖动「入射角」滑块，改变光线的入射方向。仔细观察离开棱镜的彩色光带，哪种颜色的光偏折得最厉害（位置最低）？哪种偏折最小？
3
对比光谱排列
记录下七色光的顺序：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。对比它们的波长数据，你发现折射率大小与波长之间有什么规律？
4
探索不可见光
点击「显示红外线」和「显示紫外线」。它们分别位于光谱的哪个区域？通过这个分布，你能猜想为什么红外线具有显著的热效应吗？

学习目标

确认白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光组成的复色光
掌握色散后的光谱排列顺序及其背后代表的偏折能力差异
理解三棱镜色散的原理：同种介质对不同波长的光折射率不同
认识光谱中的不可见区域（红外线区与紫外线区）

生活应用

彩虹：雨后阳光射入空气中的小水滴，经过折射、反射、再折射，发生了色散现象
光谱分析：科学家通过分析遥远恒星发射的光谱，可以判断其组成元素
光纤通信：利用色散补偿技术来保证信号在长距离传输中的完整性
宝石鉴定：钻石的高色散值（火彩）是其美丽动人的重要原因，也可用作真伪判定

常见误区

误区

三棱镜给光「染」上了颜色

正解

错误。三棱镜只是把白光中本就存在的各种单色光通过不同的折射路径「分拣」了出来，它并没有产生新的颜色。

误区

红外线是红色的，紫外线是紫色的

正解

错误。红外线和紫外线都是不可见光，肉眼无法看到。我们平时看到取暖器发出的红光通常是伴随产生的可见红光，而非红外线本身。

准备好了吗？

现在你已经了解了基础知识，开始动手实验吧！

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