你被這個經典中學物理實驗騙了多少年?牛頓的棺材板真的壓不住了
2021年02月18日11:16

  來源:把科學帶回家

  大家在中學的時候學過,牛頓利用棱鏡發現了光的色散,證明白光是由不同顏色的光合成的。為了讓同學們加深印象,老師也會用三棱鏡做實驗。實驗器材通常是這樣的——

  許多老師會介紹,白光經過三棱鏡發生色散變成七色光,畫成圖是這樣的——

圖片來源:wikipedia
圖片來源:wikipedia

  老師會繼續介紹,七色光若原路返回,就能再次合體成白光。那麼怎麼原路返回呢?在後面加一個倒轉的一模一樣的棱鏡就可以了嘛。

許多教科書和教輔中關於牛頓合成白光的錯誤演示。圖片來源:(DOI)10.1119/1.5018680
許多教科書和教輔中關於牛頓合成白光的錯誤演示。圖片來源:(DOI)10.1119/1.5018680

  看起來是不是很熟悉且沒毛病?實際上,這套器材和這種解釋完全是錯誤的。牛頓也根本不是這樣合成白光的。在國外的知名大學教材以及期刊論文中,這種錯誤也在不斷重複。今天我們就來瞭解一下,這個經典中學實驗到底錯在哪裡。

  事情要從300多年前說起。在牛頓的年代,人們認為白光是某種單色光,其他的光是在白光的基礎上產生的。

  當時,關於光的顏色的盛行理論是笛卡爾提出的。笛卡爾認為,光的顏色來自於發光體和人眼之間的介質,和光源無關,光的色彩不是光自帶的特徵。

  當時還默默無聞的牛頓並不相信這種說法。牛頓一開始注意到笛卡爾理論的問題是因為觀察到了這個現象:把一束圓形的光射到三棱鏡上時,三棱鏡背後沒有出現圓形的圖像,而出現了一個長條的光譜。

  我們在中學學過,光從空氣射入其他介質後會發生折射,這是斯涅爾定律 (Snell‘s law)。在牛頓的時代,斯涅爾定律已經被發現了。

斯涅爾定律 。圖片來源:Wikipedia
斯涅爾定律 。圖片來源:Wikipedia

  按照折射的原理,以及笛卡爾的理論,圓形光束經過三棱鏡後應該形成圓形或橢圓形的光斑,這個長條光譜是無法解釋的。因此他認為一定是笛卡爾的理論出錯了。

  

但是,他也不能確信七色光是不是不同的光,因此他又做了另一個實驗。在第一個三棱鏡後,他加了一片挖了一個小圓洞的紙,利用這個圓洞,他就能捕捉彩色光帶中的任意光束。

靈魂畫師牛頓繪製的實驗裝置。圖片來源:(DOI)10.1098/rsta.2014.0213
靈魂畫師牛頓繪製的實驗裝置。圖片來源:(DOI)10.1098/rsta.2014.0213

  翻譯一下大觸牛頓的意思——

  接著,他讓不同的色光分別再通過三棱鏡折射一次,然後計算不同色光的折射率。通過這個實驗,他發現不同色光的折射率不同而且保持恒定,這才讓他確信,這些七色光的性質是不同的,因此白光確實不是一種光,而是由不同的光構成的。

  但是,在連三棱鏡都沒有普及的17世紀,這一番推理並不能說服所有人。要證明白光確實由七色光構成,最好的辦法就是把七色光合成白光。

  牛頓發現,如果在三棱鏡後放一個凸透鏡,根據凸透鏡聚焦的性質,在凸透鏡的焦點,所有的光被彙聚在一起。果然,在焦點處,我們又看到了白光。

  不過在非焦點的地方,七色光並沒有聚成白光。

  為了製造一致的合成白光,在這個基礎上,牛頓設計了這個裝置——

牛頓合成白光的裝置,你可以在牛津大學的網站上查看原文:www.newtonproject.ox.ac.uk/view/texts/normalized/NATP00034
牛頓合成白光的裝置,你可以在牛津大學的網站上查看原文:www.newtonproject.ox.ac.uk/view/texts/normalized/NATP00034

  它的實操效果——

  這才是牛頓合成白光的正牌實驗裝置,發表在他在1704年出版的《光學》中,這也是不少教科書出錯的地方了。

  那麼問題來了,我們在做實驗的時候,用兩個三棱鏡近距離疊在一起時確實出現了白光啊,這又是怎麼回事?

  實際上,麻省理工學院在2013年公佈的一期教學視頻中也指出了這個問題。

  大家可以看到,如果把兩個三棱鏡靠得比較近,肉眼看來,七色光重新合成了白光。但事實上,這是因為兩個三棱鏡之間的距離比較近,白光色散程度不高。

  如果把三棱鏡之間的距離拉遠,就可以明顯看到,白光穿過兩個三棱鏡後,還是色散了。

  如果只用紅綠藍三色光來重複這個實驗,效果就更明顯了。實際上,按照兩個三棱鏡的設置,真實的光路是這樣的——

圖片來源:(DOI)10.1119/1.5018680
圖片來源:(DOI)10.1119/1.5018680

  這個問題曾被少數國內物理教育者指出。2005年,河北大學的物理學者王紹符發表在《物理通報》上的一篇文章就專門批判了雙三棱鏡合成白光的說法。

  實際上,雖然在按照教育部2011年修訂的《義務教育物理課程標準》編寫的《人教版八年級上》中並沒有涉及如何用三棱鏡合成白光的問題,但是“雙三棱鏡色散與復合實驗”已被編入《中華人民共和國教育行業標準JY/T 0406-2010》。王紹符後來指出,有多家教學儀器廠根據這個標準製作了錯誤的儀器。

某寶上找到的典型的白光的色散和合成裝置。《中華人民共和國教育行業標準JY/T 0406-2010》對光的色散和合成實驗是這樣解釋的:用兩個完全相同的,頂角為60度的玻璃三棱鏡,用白熾燈作光源。讓光束通過一塊三棱鏡後投射到光屏上。視覺正常的人至少能分辨出光譜帶中的紅、黃、藍、綠、紫五種顏色。然後把另一個三棱鏡置於第一塊三棱鏡後的出射光路中,目測光屏上的七色光譜帶能否還原成白光。
某寶上找到的典型的白光的色散和合成裝置。《中華人民共和國教育行業標準JY/T 0406-2010》對光的色散和合成實驗是這樣解釋的:用兩個完全相同的,頂角為60度的玻璃三棱鏡,用白熾燈作光源。讓光束通過一塊三棱鏡後投射到光屏上。視覺正常的人至少能分辨出光譜帶中的紅、黃、藍、綠、紫五種顏色。然後把另一個三棱鏡置於第一塊三棱鏡後的出射光路中,目測光屏上的七色光譜帶能否還原成白光。

  但是直到現在,在大型購物網站上買到的光的色散和復合實驗儀器都是錯誤的那一款,而且還會標註《中華人民共和國教育行業標準JY/T 0406-2010》中的對應編號25008。

  甚至人民教育出版社網站上的同步學習資源中給的圖也是錯的。

圖片來源:old.pep.com.cn/czwl/xszx/tbxx/sy/sy8s/sy8s2/201008/t20100824_719804.html
圖片來源:old.pep.com.cn/czwl/xszx/tbxx/sy/sy8s/sy8s2/201008/t20100824_719804.html

  渣弟愛腐的中考輔導網頁上也原樣複製黏貼了人民教育出版社的上述資料(見zhongkao.xdf.cn/cewl/201212/9232394.html)。

  2015年,發表在《中國科學報》上的一篇名為“牛頓的三棱鏡實驗的”科普文章還在強調牛頓用的兩塊三棱鏡。

圖片來源:news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2015/1/296274.shtm
圖片來源:news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2015/1/296274.shtm

  在國外的一些頂級學府的教學資料以及期刊中,這個錯誤也頻繁出現。

  比如在馬里蘭大學的在線物理教學資料、印度頂級學府印度理工學院的2012年版的教材中就出現了這個錯誤。多倫多大學的教學網站上,甚至把這個錯誤的實驗設置歸到牛頓頭上。在一些學術期刊中這個錯誤也時不時浮現。這些錯誤在發稿時還沒有更正。

馬里蘭大學物理系網頁上關於光的合成的實驗設置。圖片來源:lecdem.physics.umd.edu/n/n1/n1-21.html
馬里蘭大學物理系網頁上關於光的合成的實驗設置。圖片來源:lecdem.physics.umd.edu/n/n1/n1-21.html

  這些教材和教師在教授這個知識點的時候,可能受到了“光路可逆”思想的影響,認為被散射的光在通過另一個鏡像的三棱鏡後,會按鏡像的線路合併成白光。可是,在雙三棱鏡的設定中,光路並不可逆啊,老師們。

  牛頓:一塊棱鏡使你變成天才,兩塊棱鏡使你變成兲才。

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