【第4.05讲】光的色彩之谜：牛顿与笛卡尔之争

【第4.05讲】光的色彩之谜：牛顿与笛卡尔之争

同学们好！欢迎来到物理老师讲物理。本章第一讲我们介绍了光的方向之谜，从欧几里得到阿尔哈森，经历了上千年，才树立起对光的方向的正确认识。今天我们要再讲两个故事，分别是笛卡尔和牛顿的故事，他们对光的色彩之谜有完全不同的见解。到底谁是谁非呢？

你的课本上有三棱镜的实验，课堂上老师都会演示，白色的光束射入三棱镜，射出的是七彩的光带，颜色依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

17世纪以前，很多关于自然现象的解释来自于教会，比如教会认为彩虹是连接信徒与上帝的桥梁。笛卡尔是16世纪法国著名的科学家、哲学家，也是一名虔诚的天主教徒。关于光的色彩，他跟当时的主流观点一样，认为白光是最纯净的。笛卡尔对三棱镜将白光变成彩色光的实验，是这样解释的：光是不停旋转的粒子构成的，白光的粒子经过棱镜，转速被改变，不同的转速呈现出不同的颜色，从而使白光变成了彩色的光。也就是说，是棱镜改变了光的颜色。

英国的牛顿比笛卡尔小47岁，他也对光的色彩非常着迷，但他并不认同笛卡尔的解释。为此，他甚至拿自己做实验，长时间凝视太阳，还用筷子戳自己的眼睛，只为了研究压力对视觉的影响。终于，有一个最关键的实验，让他得以彻底推翻笛卡尔的理论。他先让一束阳光通过三棱镜，在纸板上形成红橙黄绿蓝靛紫的彩色光带。然后在纸板上红色光的位置钻一个小孔，这样只有红光能通过纸板，牛顿得到了一束红光。他让这束红光再通过一个三棱镜。如果真如笛卡尔所言，三棱镜能使光变色，那么这束红光应该再次变成其它的颜色。然而事实是，红光通过第二个棱镜后，还是红光。这就证明棱镜并不能改变颜色。笛卡尔错了！

那么棱镜到底在实验中起了什么作用呢？

牛顿认为，白光并不“纯净”。相反，红光、蓝光等色光才是纯净的单色光；而白光是由单色光复合而成的。棱镜并不能改变颜色，只是将复合的颜色分离开。所以，已经是单色光的红光，通过棱镜颜色不变。牛顿的这套完全不同于笛卡尔的解释，很快被世人接受，也就是我们今天要学习的色散理论。

色散的实质是光的折射，各种色光通过棱镜时被折射的程度不同，从而使各种色光按一定顺序分散开来。其中，红光偏折的程度最小，紫光偏折的程度最大，它们依次是：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

彩虹也是太阳光色散的产物，空中的小水滴起到了相当于三棱镜的作用。

随着人们对色彩的研究不断深入，发现不用七种，只需要三种色光——红、绿、蓝，它们相互混合也可以产生各种颜色的光。红、绿混合可以得到黄；红、蓝混合得品红；蓝、绿混合得青色；红、绿、蓝3种光混合就是白光。但是，红、绿、蓝这三种光，是无法合成的。这三种颜色就被称为“三原色”。

彩色电视机就利用了三原色的原理。电视屏幕上有许多微小的发光单元，这些发光单元有3种，分别发红光、绿光、蓝色，它们相互组合就可以形成色彩斑斓的电视画面。

以上是光的三原色。

印染行业常用另外一套三原色，是颜料的三原色。用黄、品红、青3种颜料可以在白纸上混合出各种颜色来。彩色印刷一般用CMYK四种颜色的墨，其中除了黑色K以外，另外三种就是颜料的三原色：C青色，M品红，Y黄色。

图1：光的三原色和颜料的三原色

张亮同学问了一个很好的问题：为什么颜料的三原色，与光的三原色不同？

这个问题其实不难理解，光的三原色只适用于光源，色光显色是不同的单色光叠加而来，这是“加色法”，所有的色光加到一起是白光。

而颜料则相反，我们看到的物体本身并不发光，只是在白光的照射下能够反射某种颜色的光，什么颜色的物体就反射什么颜色的光，同时吸收掉其它颜色的光。所以颜料配色是用的“减色法”。如果把三原色的颜料都混在一起，它能把白光中所有的颜色都吸收掉，就是黑色。

我们一起来看一个例子，在白纸上写一个红色的字，用白光照射，纸是白色的，字是红色的；用红光照射，纸是红色的，字看不见了，因为纸和字都成为红色的，分辨不出来。用绿光照射，纸是绿色的，字是黑色的。因为红色的字只反射红光，而不能反射绿光，入射光全部被吸收了，所以是黑色的。

刚才说的都是反射光，那透明物体的颜色又是怎么样的呢？

也是，什么颜色的物体就透过什么颜色的光，其它颜色的光被吸收。

【小结一下】

1.白光通过棱镜后被分解成各种颜色的光，这种现象称为色散。白光并非单色光，而是由色光混合而成的。

2.光的三原色是红、绿、蓝，用这三种色光就可以混合出各种颜色的光。颜料的三原色是与之相反的另一套颜色。

3.不透明物体的颜色，取决于它能反射什么颜色的光；透明物体的颜色，取决于它能透过什么颜色的光。

【思考题】

为什么海水和天空都是蓝色的？

我们下一讲再见！

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【备课手稿】