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牛顿从小就对实验非常感兴趣，善于观察和思考。19岁时，牛顿考入了著名的剑桥大学三一学院。在对色散现象的研究上，牛顿从笛卡尔对于光学的论述里获得了许多启示。1666年，利用在家休假的时间，牛顿找来了一块三棱镜用来分解太阳光。他布置了一个房间作为暗室，只在窗板上开一个圆形小孔，让太阳光射入，在小孔面前放一块三棱镜，立刻在对面墙上看到了鲜艳的像彩虹一样的七色彩带，这七种颜色由近及远依次排列为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，那么阳光是由这七种颜色的光组成的吗？

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为了证明白光是由折射性能不同的单色光组成，牛顿设计了如图所示的实验。光从Ｓ平行进入F后经棱镜折射。穿过木板DE上小孔Ｇ，各种颜色以不同的角度射向木板de，穿过小孔g，经三棱镜再折射后抵达墙壁。缓缓旋转三棱镜ABC，使木板de上不同颜色的光相继穿过Ｋ到达三棱镜。实验表明：经过第二块三棱镜，光的颜色并没发生变化；而被第一块棱镜折射得最厉害的紫光，经第二块棱镜也偏折得最多。

（图源：参考文献[1]）

牛顿又想，如果白光是七种颜色光组成的，一块三棱镜能把白光分解，那么再用一块三棱镜也可能使这些彩色的光复原为白光。牛顿又设计了下图所示的实验，实验成功了，七色光带又变成了白光，白光一定是这七种颜色的光组成的，而三棱镜能分解太阳光，是各色光相对三棱镜有不同的折射率的结果。

（图源：参考文献[1]）

特别要注意的是，对于把彩色的光复原为白光的实验，有的物理教材中称，在第一个棱镜后面加一个倒转的一模一样的棱镜即可，这种装置是错误的。因为根据光路可逆，七色光发散地射出第一个三棱镜，必须用一个凸透镜聚光后再经过第二个三棱镜，才能重新汇聚成白光。如果按照两个三棱镜的设置，真实的光路是下面这样的，并不能复原出白光。

（图源：参考文献[4]）

从本质上来说，光是一种电磁波，光的颜色是由光波的频率决定的，各种频率的光在真空中传播的速度都相同，为c=3.0×108m/s。但是不同频率的单色光在介质中传播时，由于与介质的相互作用，传播速度为，其中为介质的相对电容率，为介质的相对磁导率，它们都是频率的函数，折射率自然也是频率的函数。有些介质对频率小的光折射率小，对频率大的光的折射率大。当不同单色光以相同的入射角射到三棱镜上时，偏折情况的不同使它们被分开。可见光中频率最小的红光发生的偏折最小，频率最大紫光发生的偏折最大，所以这两种色光分布在光谱两端，而其他色光按频率从小到大依次分布在从红光到紫光之间。

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牛顿的三棱镜分解太阳光实验，为他后来的光学研究奠定了基础。1668年，他就自己动手制成了第一架避免色散的反射望远镜。之后的许多科学家发现，不同物质发射出的光，利用光谱仪收集后可得一条条不同颜色的细亮线，这就是光谱线，小到分子原子，大到星球宇宙，人类对自然界的认识很大程度上都是依赖于各种光谱带来的信息。

（图源：百度百科）

由于白光可以分解，也可以合成，后来的科学家从牛顿的实验中得到启发，发现了三原色。19世纪初，杨（1773~1829）和赫尔姆霍兹（1821-1894）提出的“视觉的三原色学说”认为：在视网膜上分布有三种不同的视锥细胞，分别含有对波长700nm（红）、540nm（绿）和450nm（蓝）光线特别敏感的三种视色素。当某一波长的光线作用于视网膜时，以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同程度的感知，传至中枢神经，从而产生某一种颜色的感觉。“三原色学说”目前已被许多实验所证实，利用三原色组合可以得到各种颜色的光，在人们实际生活中的应用有彩色电视机显像管、彩色照片、彩色印刷等。

（图源：百度百科）

牛顿通过最简单的实验手段和最简单的实验器材，揭示了最深刻的科学真理。他的成功与他的勤奋、刻苦钻研、善于观察实践、勇于创新的精神是分不开。

参考文献：

[1]季卫新，陈栋.“光的色散”国内外研究历史综述[J].中学物理教学参考，2019，48（12）：50-54.

[2]孙敬妹，李志有，梁浩.牛顿的三棱镜分解太阳光——“最美丽”的十大物理实验之七[J].物理通报,2003(10):45-46.

[4]中科院物理所.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

[EB/OL].(2021-2-20)[2023-2-8].https://mp.weixin.qq.com/s/MSIi52VjB40ZLXlvblmEKA

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制作 | 柳正阳

责编 | 王雁军

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