你被这个经典中学物理实验骗了多少年?
2021-02-18 09:48

你被这个经典中学物理实验骗了多少年?

牛顿:一块棱镜使你变成天才,两块棱镜使你变成兲才。本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,原文标题:《你被这个经典中学物理实验骗了多少年?牛顿的棺材板真的压不住了》,头图来自:视觉中国


大家在中学的时候学过,牛顿利用棱镜发现了光的色散,证明白光是由不同颜色的光合成的。为了让同学们加深印象,老师也会用三棱镜做实验。实验器材通常是这样的——



许多老师会介绍,白光经过三棱镜发生色散变成七色光,画成图是这样的——


图片来源:wikipedia


老师会继续介绍,七色光若原路返回,就能再次合体成白光。那么怎么原路返回呢?在后面加一个倒转的一模一样的棱镜就可以了嘛。


许多教科书和教辅中关于牛顿合成白光的错误演示。图片来源:(DOI)10.1119/1.5018680


看起来是不是很熟悉且没毛病?实际上,这套器材和这种解释完全是错误的。牛顿也根本不是这样合成白光的。在国外的知名大学教材以及期刊论文中,这种错误也在不断重复。今天我们就来了解一下,这个经典中学实验到底错在哪里。


事情要从300多年前说起。在牛顿的年代,人们认为白光是某种单色光,其它的光是在白光的基础上产生的。


当时,关于光的颜色的盛行理论是笛卡尔提出的。笛卡尔认为,光的颜色来自于发光体和人眼之间的介质,和光源无关,光的色彩不是光自带的特征。


当时还默默无闻的牛顿并不相信这种说法。牛顿一开始注意到笛卡尔理论的问题是因为观察到了这个现象:把一束圆形的光射到三棱镜上时,三棱镜背后没有出现圆形的图像,而出现了一个长条的光谱。



我们在中学学过,光从空气射入其他介质后会发生折射,这是斯涅尔定律 (Snell's law)。在牛顿的时代,斯涅尔定律已经被发现了。


斯涅尔定律 (Snell's law)。图片来源:Wikipedia


按照折射的原理,以及笛卡尔的理论,圆形光束经过三棱镜后应该形成圆形或椭圆形的光斑,这个长条光谱是无法解释的。因此他认为一定是笛卡尔的理论出错了。


但是,他也不能确信七色光是不是不同的光,因此他又做了另一个实验。在第一个三棱镜后,他加了一片挖了一个小圆洞的纸,利用这个圆洞,他就能捕捉彩色光带中的任意光束。


灵魂画师牛顿绘制的实验装置。图片来源:(DOI)10.1098/rsta.2014.0213


翻译一下大触牛顿的意思——



接着,他让不同的色光分别再通过三棱镜折射一次,然后计算不同色光的折射率。通过这个实验,他发现不同色光的折射率不同而且保持恒定,这才让他确信,这些七色光的性质是不同的,因此白光确实不是一种光,而是由不同的光构成的。


但是,在连三棱镜都没有普及的17世纪,这一番推理并不能说服所有人。要证明白光确实由七色光构成,最好的办法就是把七色光合成白光。


牛顿发现,如果在三棱镜后放一个凸透镜,根据凸透镜聚焦的性质,在凸透镜的焦点,所有的光被汇聚在一起。果然,在焦点处,我们又看到了白光。



不过在非焦点的地方,七色光并没有聚成白光。


为了制造一致的合成白光,在这个基础上,牛顿设计了这个装置——


牛顿合成白光的装置,你可以在牛津大学的网站上查看原文:www.newtonproject.ox.ac.uk/view/texts/normalized/NATP00034


它的实操效果——



这才是牛顿合成白光的正牌实验装置,发表在他在1704年出版的《光学》中,这也是不少教科书出错的地方了。


那么问题来了,我们在做实验的时候,用两个三棱镜近距离叠在一起时确实出现了白光啊,这又是怎么回事?


实际上,麻省理工学院在2013年公布的一期教学视频中也指出了这个问题。


大家可以看到,如果把两个三棱镜靠得比较近,肉眼看来,七色光重新合成了白光。但事实上,这是因为两个三棱镜之间的距离比较近,白光色散程度不高。



如果把三棱镜之间的距离拉远,就可以明显看到,白光穿过两个三棱镜后,还是色散了。



如果只用红绿蓝三色光来重复这个实验,效果就更明显了。实际上,按照两个三棱镜的设置,真实的光路是这样的——


图片来源:(DOI)10.1119/1.5018680


这个问题曾被少数国内物理教育者指出。2005年,河北大学的物理学者王绍符发表在《物理通报》上的一篇文章就专门批判了双三棱镜合成白光的说法。


实际上,虽然在按照教育部2011年修订的《义务教育物理课程标准》编写的《人教版八年级上》中并没有涉及如何用三棱镜合成白光的问题,但是“双三棱镜色散与复合实验”已被编入《中华人民共和国教育行业标准JY/T 0406-2010》。王绍符后来指出,有多家教学仪器厂根据这个标准制作了错误的仪器。


某宝上找到的典型的白光的色散和合成装置。《中华人民共和国教育行业标准JY/T 0406-2010》对光的色散和合成实验是这样解释的:用两个完全相同的,顶角为60度的玻璃三棱镜,用白炽灯作光源。让光束通过一块三棱镜后投射到光屏上。视觉正常的人至少能分辨出光谱带中的红、黄、蓝、绿、紫五种颜色。然后把另一个三棱镜置于第一块三棱镜后的出射光路中,目测光屏上的七色光谱带能否还原成白光。


但是直到现在,在大型购物网站上买到的光的色散和复合实验仪器都是错误的那一款,而且还会标注《中华人民共和国教育行业标准JY/T 0406-2010》中的对应编号25008。


甚至人民教育出版社网站上的同步学习资源中给的图也是错的。


图片来源:old.pep.com.cn/czwl/xszx/tbxx/sy/sy8s/sy8s2/201008/t20100824_719804.htm


渣弟爱腐的中考辅导网页上也原样复制黏贴了人民教育出版社的上述资料(见zhongkao.xdf.cn/cewl/201212/9232394.html)


2015年,发表在《中国科学报》上的一篇名为“牛顿的三棱镜实验的”科普文章还在强调牛顿用的两块三棱镜。


图片来源:news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2015/1/296274.shtm


在国外的一些顶级学府的教学资料以及期刊中,这个错误也频繁出现。


比如在马里兰大学的在线物理教学资料、印度顶级学府印度理工学院的2012年版的教材中就出现了这个错误。多伦多大学的教学网站上,甚至把这个错误的实验设置归到牛顿头上。在一些学术期刊中这个错误也时不时浮现。这些错误在发稿时还没有更正。


马里兰大学物理系网页上关于光的合成的实验设置。图片来源:lecdem.physics.umd.edu/n/n1/n1-21.html


这些教材和教师在教授这个知识点的时候,可能受到了“光路可逆”思想的影响,认为被散射的光在通过另一个镜像的三棱镜后,会按镜像的线路合并成白光。可是,在双三棱镜的设定中,光路并不可逆啊,老师们。


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

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