第十三章 4 光的颜色 色散

光的颜色 色散

在双缝干涉的实验中，各种颜色的光都会发生干涉，但条纹之间的距离不一样。用黄光做这个实验，条纹之间的距离比用红光时小；用蓝光时更小。

根据上节（1）式，条纹之间的距离与光波的波长成正比，因此能够断定，不同颜色的光，波长不同。

演示

用白光做双缝干涉实验

在图13.3-2的实验中，光源与单缝之间不加滤色片，观察屏上的干涉条纹，它们与使用单色光时的条纹有什么不同？

白光干涉时条纹是彩色的。可见，白光是由多种色光组成的。发生干涉时由于不同颜色的条纹间距不同，白光被分解了。含有多种颜色的光被分解为单色光的现象叫做光的色散（dispersion）。

人眼的视网膜上有两种感光细胞，一种叫做视杆细胞，它对光非常敏感，但不能区分不同波长（频率）的光；另一种叫做视锥细胞，它对光的敏感度不如视杆细胞，但能区分不同

波长（频率）的光，人眼依靠视锥细胞分辨颜色。

含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长的有序排列，就是光谱（spectrum）。图13.4-1是太阳光谱。

薄膜干涉中的色散

肥皂泡看起来常常是彩色的，雨后公路积水上面漂浮的油膜，看起来也是彩色的。这些现象是怎样形成的？

实验

用肥皂膜做薄膜干涉实验

在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光，把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜。把这层液膜当做一个平面镜，用它观察灯焰的像。这个像与直接看到的灯焰有什么不同？

灯焰的像是液膜前后两个面反射的光形成的。来自两个面的反射光相互叠加，发生干涉。

竖直放置的肥皂薄膜受到重力的作用，下面厚、上面薄，因此在膜上不同的位置，来自前后两个面的反射光，即图13.4-3中的实线和虚线波形代表的两列光，所走的路程差不同。在某些位置，这两列波叠加后相互加强，出现了亮条纹；在另一些位置，叠加后相互削弱，于是出现了暗条纹。

如果用另一种波长的光做这个实验，由于波长不同，从肥皂膜的前后两面反射的光将在别的位置相互加强，所以从肥皂膜上看到的亮条纹的位置也会不同。

在白光下观察肥皂泡，白光中不同波长的光，也就是不同颜色的光，从肥皂泡的内外表面反射后，在不同的位置相互加强，所以看起来肥皂泡是彩色的。

照相机、望远镜的镜头表面常常镀了一层透光的膜，膜的上表面与玻璃表面反射的光发生干涉。由于只有一定波长（一定颜色）的光干涉时才会相互加强，所以镀膜镜头看起来是有颜色的。镀膜的厚度不同，镜头的颜色也不一样。

科学漫步

利用光的干涉检查平整度

光的干涉现象在技术中有重要应用。例如，在磨制各种镜面或其他精密的光学平面时，可以用干涉法检查平面的平整程度。如图13.4-6，在被测平面上放一个透明的样板，在样板的一端垫一个薄片，使样板的标准平面与被测平面之间形成一个楔形空气薄层。用单色光从上面照射，空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉。空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，两列波叠加时相互加强或相互削弱的情况也相同。所以，如果被测表面是平的，干涉条纹就是一组平行的直线（图13.4-7甲）；如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测表面不平（图13.4-7乙）。这种测量的精度可达10^-6cm。

问题：图13.4-7乙中，弯曲的干涉条纹说明被检查的平面在此处是凹下还是凸出？

做一做

取两块质量较妤的平板玻璃，例如显微镜的载玻片，用清水洗净晾干，再用绒布擦去表面的灰尘和水汽，然后把两块玻璃叠在一起。

把这两块玻璃拿到明亮的地方，玻璃片上会出现干涉条纹。

用手指捏住两块玻璃加压，条纹会移动，这是为什么？

折射时的色散

光学研究常常用到如图13.4-8所示的三棱镜，简称棱镜（prism）。根据折射定律，一束光线射入后将沿图13.4-8乙的方向射出，即光通过棱镜后将向它的横截面的底边方向偏折。

实验表明，一束白光进入棱镜而被折射后，在屏上的光斑是彩色的，这说明光在折射过程中发生了色散。从图13.4-9可以看出，红光（波长较长）通过棱镜后偏折的程度比其他颜色的光要小，而紫光（波长较短）偏折的程度比其他颜色的光要大。这说明透明物质对于波长λ不同的光的折射率n不一样，λ越小，n越大。从表2可以看出某种玻璃对不同色光的折射率的差别。

由于折射率n与波速v的关系是n＝\(\frac{c}{v}\)，所以能够得出结论：在同一种物质中，不同波长的光波的传播速度不一样，波长越短，波速越慢。

问题与练习

1．在用白光做双缝干涉的实验时，除了中心的一个亮条纹外，在其他各级亮条纹中，红色为什么总是在最外侧？

2．无色的肥皂液，吹出的肥皂泡为什么是彩色的？

3．凸透镜的弯曲表面是个球面，球面的半径叫做这个曲面的曲率半径。把一个凸透镜压在一块平面玻璃上，让单色光从上方射入（图13.4-10），从上往下看凸透镜，可以看到亮暗相间的圆环状条纹。这个现象是牛顿首先发现的，这些环状条纹叫做牛顿环，它是两个玻璃表面之间的空气膜引起的薄膜干涉造成的。如果换一个表面曲率半径更大的凸透镜，观察到的圆环半径是更大还是更小？如果改用波长更长的单色光照射，观察到的圆环半径是变大还是变小？

4．描绘地势高低可以用等高线，描绘静电场可以用等势线，簿膜干涉条纹实际上是等厚线，同一干涉条纹上各个地方薄膜的厚度是相等的。用本节“科学漫步”中介绍的方法检测平整度时，观察到了干涉条纹的形状，就等于知道了等厚线的走向，因而不难判断被检测平面的凹下或凸出的位置。

（1）为什么薄膜干涉条纹就是等厚线？

（2）当单色光源的波长是λ时，相邻两亮条中心处薄膜的厚度差是多少？

5．图13.4-11中，a是一束白光，射向半圆玻璃砖的圆心O，折射后发生了色散。折射后哪一侧是红光？哪一侧是紫光？请在甲、乙图中标明。

发布时间：2017/1/28 下午9:39:00  阅读次数：3253