白光合成实验的探讨

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1、白光合成实验的探讨陈建(江苏省南通师范学校)图1白光的分解与合成实验是认识光的色散的基础，目前中学物理教学中一般采用江苏省靖江市季市光学仪器厂生产的“J2518型白光的分解与合成演示器”(下称“演示器”)来完成。“演示器”进行白光合成的基本原理与十七世纪牛顿探究白光和色光关系的实验相似，即：白光通过三棱镜后，由于光的折射，分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫组成的彩色光带，彩色光带再通过一个与原来反向的三棱镜(与第一个棱镜顶角、材质均相同)又合成为白光。图1为“演示器”所附实验光路图。笔者以为，有必要对这一

2、实验作进一步探讨。BFEADC图21.单色光通过两棱镜时的光路分析图2为某单色光通过两棱镜时的光路。为讨论方便，设两棱镜相对面互相平行。由折射定律可证明：光线AB与光线EF平行，光线BC与光线DE平行。除AB相对于EF发生侧移，BC相对于DE也发生侧移。光通过两棱镜发生的四次折射与光通过平行玻璃砖相似，C、D处的两次折射只不过增加了AB与EF侧向偏移的距离。AB相对于EF的侧移距离取决于光线AB的入射点位置B、入射角、两棱镜的间距、棱镜的几何尺寸及折射率等因素。2．复色光通过两棱镜时的光路分析复色光射入

3、棱镜后，由于玻璃对不同色光的折射率不同，各种色光形成各自的光路。图1中，对应于第一个棱镜中的三条光线中的上下两条，在第二个棱镜中被画成会聚于棱镜面上，出现了“会聚成白光”的假象，这与图2中单色光通过两棱镜时BC与DE平行且BC相对于DE侧移相矛盾。“演示器”所附实验光路失去了客观、真实性。一些物理教材中亦引用了“演示器”相似的光路。线光源发出的复色光通过两棱镜时的完整光路如图3所示。由于各种色光侧移程度不同，经两棱镜“分解”、“合成”后射出的光线应为包含各种颜色的“彩色光带”(在可见光范围内，由于棱镜对

4、红光的偏折作用最小，对紫光的偏折作用最大，若将光路3中EF、分别视为红光和紫光的话，则EF代表红光，代表紫光，其余色光处于它们之间)。SAZiyXBC’CF’EFZ’E’D’Dd图3Y’X’因为影响光线EF与间隔的因素较多，定量讨论和实验研究均有一定困难。为此，笔者利用电脑模拟了实验过程,以探讨不同条件下紫光与红光侧移距离的差值(即“彩色光带”宽度)。下表为模拟实验结果，其中距离d以cm为单位(模拟实验中棱镜为等边三棱镜，底边长2.7cm，折射率、[1]，与“演示器”中重火石玻璃三棱镜一致，并设光线AB

5、的入射点B位于距顶端四分之一边长处)：入射角(度)棱镜间距S(cm)556065707580850.00.0230.0230.0220.0200.0160.0110.0060.50.0900.0650.0500.0390.0290.0200.0101.00.1570.1070.0780.0580.0420.0280.0141.50.1060.0780.0560.0360.0192.00.0690.0450.022可见，“彩色光带”的宽度随棱镜间距S的增大而增大，随白光射入第一个棱镜的入射角的增大而减小。

6、当然，光带宽度还与光对第一个棱镜的入射点位置、两棱镜相对面XZ与是否平行正对等因素有关。3．合成“白光”的成因运用“演示器”实际实验过程中，在第二棱镜后的光屏上一般能接受到合成的“白光”，而非从红色到紫色的“彩色光带”。这是因为：实验中，光源经狭缝射出的光并非线光源，而是许多线光源组成的有一定宽度的光束。每一线光源的白光通过两棱镜后，在光屏上形成一非常窄的“彩色平行光带”，而许多线光源在屏上形成若干个位置不同的“彩色平行光带”，它们叠加后合成为“白光”。在“白光带”的中心附近，七种色光相互叠加呈白色，而

7、“白光带”的边缘则会因叠加的色光种类少于七种而偏紫或偏红。暗室中，通过适当减小缝宽、增大两棱镜间距以及适当减小白光射入第一个棱镜的入射角等办法，可在“白光”带的边缘观察到较明显的彩色区域。→白光？彩色光带图44．建议(1)鉴于“演示器”所附实验光路有失客观、真实性，建议画成图4所示，这样既不违背科学性，又给学生留下探究与思考的空间。(2)由于实验是为了说明经棱镜分解的七色光可复合成白光，要获得较好的观察效果，一方面光源前狭缝应有适当宽度，这样合成的白色光带较宽(尽管边缘有些模糊)，若狭缝过于狭窄白光经分

8、解、合成后只能得到彩色光带；另一方面，应尽可能减小两棱镜间距、适当增大入射角，使紫光与红光侧移距离差值减小，合成“白光”更清晰。同时，承接合成“白光”的屏不要离第二个棱镜太远，避免光能量损失过大，亮度过弱。参考文献[1]中学物理教师手册.上海:上海教育出版社,1984年2月.