对“光的颜色 色散”的研究，本文主要内容关键词为：色散论文,颜色论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
人民教育出版社普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-4在第十三章中新增加了“光的颜色色散”一节的教学内容。全节分了三个一级标题，即光的颜色 色散、薄膜干涉中的色散、折射时的色散。在2007年4月第2版第56面的开篇是这样叙述的：
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。
如图1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？
图1
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散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2是太阳光谱。
图2
阅读新教材，不禁产生如下几个疑问：(1)干涉现象中出现的彩色条纹是单色光吗？干涉现象中出现的彩色条纹是色散现象吗？(2)色光的颜色仅仅跟光的频率（波长）有关吗？那么，同种颜色的单色光跟复合光是否有相同的波长？它们有什么不同？(3)人眼是如何感觉不同色光的？视锥细胞真的能区分不同波长的光吗？人眼感觉单色光跟感觉复合光的机理相同吗？(4)不同色光复合时所呈现的颜色具有什么规律？(5)白光的双缝干涉中出现的彩色条纹是如何分布的？最靠近中央亮纹的是什么颜色的条纹？
要弄明白这些问题，还是必须从人眼是怎样辨别不同色光入手。
一、色光的颜色仅仅跟光的频率（波长）有关吗？那么，同种颜色的单色光跟复合光是否有相同的波长？
三棱镜的色散现象告诉我们，不同波长的光其颜色是不同的；随着波长的减小，依次呈现的颜色是：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。物理学上把不同波长的色光叫单色光。
当两种或两种以上波长的单色光重叠时，光的颜色会发生变化，所呈现的色光我们叫复合光。例如，红色光跟绿色光重叠会呈现出黄色光。
那么，黄色的复合光跟黄色的单色光波长一样吗？不同色光复合时会改变波长吗？我们可以从实验和理论两个方面来论证。
设计如图3（见下页）所示的实验，将单色红光跟单色绿光重叠后的复合黄光进入分光镜中的三棱镜，它们可以在原波长对应的红色波段和绿色波段出现两条明线光谱，而不是在黄色波段出现明线。这一实验说明，红、绿两种单色光（在同一介质中）复合时并没有改变波长（频率），两种单色光仍然按照各自的波长（频率）传播。
图3
从理论上说，根据波叠加的独立性原理，我们也可以判断，不同波长（频率）的色光重叠时是不会改变其物理性质的，也就是说，不会改变其中任何一种光的波长（频率）。所以，两种色光叠加时，客观上两种色光没有任何变化。
对于复合光，人眼却产生了跟某一种单色光相同的视觉感受，这样，只能断定是人的主观感受了。
考察患有色盲症的人群，他们没有正常的对光颜色的视觉，这从反面充分说明，对于光的颜色的感受，是人对客观事物——光的一种主观感觉。
所以，不同颜色的单色光的波长（频率）不同；对于相同颜色的单色光和复合光，它们是人眼睛产生的一种相同视觉感受效果，不是复合光的波长（频率）发生了变化。
二、人眼是如何感觉各种颜色的单色光和复合光的？
生物“色觉学说”中的三原色说认为：人眼中的视网膜中存在有三种视锥细胞，它们分别含有红、绿和蓝三种不同的感光色素。每种感光色素分解，刺激了不同的视神经纤维，而它们的冲动又传到大脑皮层视觉中枢的不同神经细胞系统。当三种视锥细胞同时同等地受到刺激时，产生白色的感觉。其中任何一种视锥细胞单独地受到刺激，或三种视锥细胞都受到刺激，但只有其中一种视锥细胞的兴奋占绝对优势时，则产生相应的色觉。如果三种视锥细胞不同比例地受刺激，则产生各种不同的相应色觉。
因此，两种或两种以上波长的光射到人眼视网膜的同一部分时，能够形成与单一波长色光引起的色觉相同的视觉效果，但产生这些视觉效果的生理机制是不同的：单色光是通过一种视锥细胞引起色感觉，复合光是由两种或多种视锥细胞共同引起的色感觉。
所以，人眼对单色光和复合光有不同的生理感受机理，但可以达到相同的视觉效果。
那么，人眼对不同色光重叠时所产生的复合光的视觉效果遵循什么规律？
三、色光的叠加原理
彩色理论总结色光的混合规律，把连续光谱中的七种连续色光归纳为三种主要色光，称为三原色。即：红光波长为0.60～0.77μm（包括连续光谱中的橙、红色光）；绿光波长为0.49～0.60μm（包括连续光谱中的绿、黄色光）；蓝光波长为0.39～0.49μm（包括连续光谱中的紫、蓝、青色光）；红、绿、蓝三种主要色光等量混合，就形成白光，即白光＝红色光+绿色光+篮色光。三种主要色光若不等量混合，就形成丰富多彩的各种不同色光。
不同色光的叠加规律可以概括为图4所示的六星示意图，其中品红、黄、青色光为三补色光，每种色光都是由它们相邻的两种等量色光所组成，排列如下：
图4
红色光＝黄色光+品红色光；
绿色光＝黄色光+青色光；
蓝色光＝品红色光+青色光；
黄色光＝红色光+绿色光；
青色光＝蓝色光+绿色光；
品红色光＝红色光+蓝色光。
这就是色光叠加原理，彩色电视机、彩色数码摄影摄像机、彩色胶片的感光等都是根据这个规律呈现不同颜色的。
从色光叠加原理我们可以看出，人眼的视锥细胞并不能严格区别不同波长（频率）的单色光，仅存在一个感觉范围；也不能辨别所看到的各种颜色的色光是单色还是复合光。
色光叠加原理跟颜料的混合规律有本质不同，不可以将两者混淆。
四、白光的双缝干涉中出现的彩色条纹是如何分布的？干涉现象中出现的彩色条纹是色散现象吗？
在白光的双缝干涉实验中，各种色光都会发生干涉，相邻亮纹中线之间的间距为
，所以，不同色光干涉的相邻亮纹宽度按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫依次减少。其中，红色光相邻亮纹最宽，紫色光相邻亮纹最窄。如图5所示。
图5
但是，各种色光的干涉图样是在同一个区域里重叠起来的。在不同色光的干涉条纹重叠区域内，多种色光的亮纹重叠，如图5所示，呈现出的彩色干涉条纹应该是复合光，而不是单色光。
由于单色光的干涉条纹对称分布，所以彩色条纹也对称分布，所呈现的颜色则应遵循色光叠加原理。在某一单色光的暗纹区域，白光中缺少相应的成分，显现出对应的补色来。例如，在绿光的一级暗纹区域，三原色中缺少了绿色成分，剩下的就是红色+蓝色，根据六星图可知，应该呈现出品红颜色。所以，白光的双缝干涉中出现的彩色条纹是复合光，它不属于色散现象。
同理，白光的薄膜干涉现象中出现的彩色条纹也是复合光，同样不属于色散现象。
五、白光的双缝干涉实验中最靠近中央亮纹的是什么颜色的条纹？
这个问题的提出，来自下面的案例：
案例1 用包括红光、绿光、紫光三种色光的复合光做相干光源，所产生的干涉条纹中离中央亮纹最近的条纹颜色是()
A.紫色条纹B.绿色条纹
C.红色条纹D.都一样近
像这个案例一样，关于白光的双缝干涉实验，最靠近中央亮纹的颜色的问题，在高中物理教学过程中一直存在两种结论：第一、红色，因为红色中央亮纹最宽，最容易从中央白色亮纹区域边缘处显露出来。第二、紫色，因为紫色中央亮纹最窄，最靠近中央白色亮纹区域。笔者认为应该是题目中没有涉及的第五种答案，黄色。理由如下：
从理论上来说，如图5所示，在各种色光的中央亮纹区域，在紫光的中央亮纹宽度内，不同色光的中央亮纹重叠，各种色光俱全，呈现出白色的中央亮纹。所以，紫色光的中央亮纹是显露不出来的，反而，紫光中央亮纹的宽度恰恰是中央白色亮纹的宽度。在紫光的一级暗纹区域内，各种色光中缺少了三原色中的蓝色部分光，剩下三原色中的红光+绿光，根据色光的叠加原理，应该呈现出黄色复合光。依次向外，在各种色光的各个级别的暗纹区域，白光中缺少不同成分的色光，各个级别的暗纹重叠情况复杂，呈现出丰富多彩的不同颜色的复合光。所以，红色光是不可能从中央白色亮纹边缘显露出来的。
这个结论可以通过几个实验来证明。
实验1 通过J2515双缝干涉仪不难看出，白光干涉时从中央白色区域向外观察，呈现出由淡浅黄至深色的过渡，只不过黄色条纹比较窄，不十分显著，但用肉眼是能够分辨出来的。
实验2 通过肥皂膜的干涉，我们可以清楚地看到，在肥皂膜的最上方，呈现出明显的璀璨的黄色亮纹。
由于肥皂膜的不均匀分布，单色光的干涉呈现出上部亮纹宽，下部亮纹窄的分布，各种色光的干涉条纹重叠如图6所示，在紫色光一级暗纹区域，缺少了三原色中的蓝色，只有三原色中的红色+绿色，就呈现出黄色条纹；在绿色光的一级暗纹区域，缺少了三原色中的绿色，只是三原色的中的红色+蓝色，呈现出品红色条纹；在红色一级暗纹区域，缺少了三原色中的红色，只是三原色中的绿色+蓝色，呈现青色条纹。
图6
实验3 在白光的单缝衍射现象中，白色中央亮纹边缘，出现明显的黄色条纹，这在原理上跟白光双缝干涉在中央亮纹区域光的叠加是一样的。
综上所述，从理论和实验两个方面都可以证明，白光的双缝干涉现象中，最靠近中央亮纹的是黄色复合光条纹。
这样，我们可以看出案例1就是一个存在问题的题目了。因为，如果是等量的红、绿、紫三种色光混合，它们的复合光就是白色，所产生的干涉条纹中中央亮纹为白色，离中央亮纹最近的条纹颜色是红、绿两种色光的复合光——黄色。如果三种色光不等量混合，那么，问题就复杂了，中央亮纹就不是白色，但是，离中央亮纹最近的干涉条纹也一定是红、绿两种颜色复合光——黄色复合光。
六、新教材“光的颜色 色散”中存在的问题
研究到此，笔者认为本节教材中存在如下问题：
问题1 白光干涉时出现的彩色不是单色光，它没有把复合光分解为单色光，不是色散现象，不能把它作为色散的案例。
问题2 把太阳光谱放在第一个标题下，跟白光的双缝干涉一起来佐证光的色散现象是欠考虑的。太阳光谱是连续光谱，各种颜色的光是单色光，而白光干涉的彩色条纹是由复合光组成，两者不能混淆。
问题3 从严格意义上说，人眼的视锥细胞不能准确地区别不同波长（频率）的色光，人眼存在感觉阈限，只是一个模糊的辨别范围。
问题4 对于光的不同颜色，编者只从客观因素，即光的不同物理性能（波长、频率）单方面进行了阐述，缺乏对人的主观因素，即视觉方面的研讨，给读者造成单色光的颜色跟复合光颜色概念上的困惑。
编者在教材中对光的颜色和色散问题的阐述，特别是对白光干涉现象中出现的彩色是色散现象的解释严重欠妥，势必会引起高中物理教学中相关概念的一场混乱。请看下面案例：
案例2 关于光的说法中，正确的是 ()
A.水面油膜在阳光下呈现彩色，是光的色散现象
B.通过狭缝观看远处的日光灯能看到彩色条纹，是光的衍射现象
C.光导纤维内芯的折射率比外套折射率大
D.光的偏振说明光是一种纵波
关于A选项，原来大家的看法是比较一致的，认为是不正确的说法。但是，按现行教材实施教学以后，答案却面临两可，甚至被颠覆。
七、对修改教材的建议
由于上述诸多原因和因素，建议人民教育出版社物理教材编写组对本节教材做出相应的修改。建议全文分为三个内容，标题提要如下：
（一）折射时的色散现象
1.三棱镜对光路的影响
2.白光经过三棱镜的色散现象
3.色散现象说明了什么
（二）光的颜色是人眼对光的感觉
1.人眼对色光感觉的机制
2.色光的叠加原理
（三）干涉现象中的彩色
1.白光的双缝干涉
2.薄膜干涉及其应用
其中应区分干涉现象中的彩色跟色散现象中的彩色的不同。
随着科学的进步和发展，特别是随着彩色电视、数码摄影摄像等彩色世界进入千家万户，人们对彩色知识的需求越来越高，我们有必要向学生比较全面和正确地阐述这个课题。