物理 白光色散

物理教师》1992年第9期发表了王祥信同志的论文，对用两个棱镜能否使白光色散后再还原的问题进行了讨论，文章得出的结论是：用两个顶角相同相互倒立且侧面平行的棱镜不能使白光色散后再还原。笔者通过仔细研究和实验验证，并查阅了很多资料，认为该文得出的上述结论是不正确的．原因是王祥信同志的论文出现了两方面的前提性失误、导致了讨论结果的错误。

失误一：描述白光通过两棱镜时，误用一条光线代表入射光束．我们知道，在描述白光色散与还原的实际情形时，将人射光束简化为一条光线是不合适的．例如，平行平板玻璃对白光没有色散作用，但如果只画出二条人射光线，则明



显的发生了色散，如图1所示，这显然与实际情况不符，只有画出人射光的两条或几条光线，才能说明实际情况（如图2），每条白色光线通过平行平板玻璃时都与图1相同，尽管每条入射光线都发生了色散而成为平行色光，但这些色光的重新组合又还原为白光（1）。

失误二：对白光的合成条件片面理解，认为只有会聚色光才能合成白光．我们知道色光合成白光有两种情况，一是适当比例的会聚色光在交会处会成白光，称为“点合成”，二是适当比例的同向平行色光混合叠加合成白光，称为“线会成”（事实上“线合成”更符合“还原”的本意）。

由于两个顶角相同相互倒置且侧面平行的棱镜使所有通过两棱镜的色光成为平行光．因此，王祥信同志的论文在上述失误的前提下，将一束白光通过两棱镜时画成了如图3所示的情形，一条白色光线通过两棱镜后，显然出射光为平行色散光，由此断定用两个棱镜不能使白光色散后再还原．实际情形并非如此，下面的讨论将能说明，出射的平行色光有一部分可以叠合还原成白光．

如图4，光线1，2分别为入射光束的两条边界光线，两者通过两棱镜后分别变成了色光区Ⅰ和Ⅱ，Ⅰ区内没有紫光，Ⅱ区内没有红光，在Ⅰ与Ⅱ之间的Ⅱ区内则包含各种色光，这些色光便在Ⅲ区内重新合成了白光。

从图4中可以看出，还原成白光的多少与入射光的宽度和两棱镜的间距有关，当入射光的宽度一定时，两棱镜靠得越近，则Ⅰ、Ⅱ区越小，Ⅲ区越大，还原成的白光就越多．当两标准镜理想的贴合在一起时，就成了平行平板玻璃，这样透过的光将全部成了白光（严格的讲，平行平板玻璃也要使斜透过的白光在边线处发生色激，只是色散区Ⅰ和Ⅱ很小，以致普通实验不易观察，因此我们通常就认为白光通过平行平板玻璃不发生色散）。相反的，两棱镜离得越远，则Ⅰ、Ⅱ区越大，Ⅲ区越小，还原成的白光就越少。若两棱镜继续远离，当出现图5所

示的情况时，Ⅲ区就没有了，也就没有还原的白光了。

在实际实验中，要想明显地观察到还原的白光，应尽量使人射光束比较粗，两棱镜靠得比较近．用光屏观察出射光束时，看到的是中间为白光，边缘为色光的光斑，而不再为七色光带，这说明部分色光还原成了白光。

由此可见，用两个顶角相同相互倒置且侧面平行的棱镜，可以使白光色散后有条件的部分的还原成白光（1）。对于白光的色散还原问题，其实早在几个世纪前一些物理学家就进行了实验研究，笔者查阅了一些资料，可以说，最早对此进行比较全面细致研究的是牛顿，他先是用顶角相同的两个棱镜进行了实验（2），虽然可以还原出白光，却无法消除边缘色散的现象。牛顿可能认为这样对于白光色散后再还原的事实说服力不强，便又进行了如图6所示的实验（3）（图中未画出每条入射光线的色散情况）。棱镜B的顶角比棱镜A的顶角稍大一点，这样通过棱镜A被色散的光，再通过棱镜B后便被会聚起来在光屏上呈现出白色光斑，这实际上是“点合成”的色散还原实验。

牛顿还做过如图7所示的实验（4）。两形状相同的棱镜其方位关于凸透镜MN对称，且相距适当的距离，恰使透镜MN两侧的色光关于MN近似对称（由于色差的原因，严格对称是不是可能的）。从图中可以看出，透镜右边的光路近似为左边的逆光路，实际上这是巧妙地利用了光路的可逆原理，因而实验的效果比较理想，能够还原出一束真正的白光．只是这个实验加上了一个会聚透镜，并且两个棱镜不再相互倒置。