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[word格式] 浏览三棱镜光的色散复合实验 浏览三棱镜光的色散复合实验 2005年第10期物理通报实验教学研究 浏览三棱镜光的色散复合实验 王绍符 (河北大学河北保定071002) 牛顿是全面阐述光与颜色之间关系的第一人, 在其1704年出版的名着《光学》1]一书中有很大的 篇幅介绍光的色散与复合的实验,图1是该书第二 部分的命题1,定理1,实验2的插图. 图1 牛顿对图1的说明是:”让太阳光通过半英寸的 圆孔F进入暗室,首先经过放在孔边的三棱镜 ABC,再经过离三棱镜8英尺左右,宽略超过4英寸 的凸透镜PT,从那里会聚于距凸透镜约3英尺处的 焦点0,并在那里落到一张白纸DE上.如果纸垂直 于入射到其上的光,如DE所示,那么纸上0处的所 有颜色呈现为白色.但是,如果将纸绕着平行于三棱 镜的轴旋转,使它相对于入射光甚为倾斜,如de或 &位置所示,那么同样的入射光在一种位置上呈现 为黄色或红色,在另一位置上呈现为蓝色.” 牛顿在写给友人的信中也曾提到过类似上述的 实验,并配有类似图1的插图L2J.在信中除重复上述 过程外,并说: “ …… 必须把三棱镜和凸透镜放稳,而且把挡 光的白纸来回移动,因为这种移动你不仅可以找到 白色在哪个距离处最为完善,而且还可以看到这些 颜色如何逐渐会聚而消失在白色之中,然后在它们 混合成白色的地方彼此交叉而又重新分离乃至分 开,并且保持它们混合以前的那个颜色,只是其排列 反了过来.” 笔者做过上述牛顿所讲的实验,证实与文中所 说一致.实验成功的条件是,通过凸透镜的必须是经 三棱镜色散后的全部各种色光,为此凸透镜的直径 必须足够大.另外,实验中找到准确的色光完全复合 为白光的位置并不容易,稍有偏离则在白色光斑的 边缘出现彩色,不过这正好印证了牛顿所做的描述 不错. 笔者在此系列文章之二《如此做”三棱镜色光 复合实验”观察到的是假象》一文中,曾说到”两个 同样的三棱镜相互倒置且贴近的方法,演示通过第 一 个三棱镜色散的光,在通过第二个三棱镜后又复 合为白光”的现象是假象.但是这不等于说用两个 或多个三棱镜就无法完成色散与复合实验.牛顿在 其所着《光学》一书第二部分的命题5,定理4,实验 10中曾谈到了一种不借助凸透镜,而用3个三棱镜 的实验,并配有插图,如图2所示.牛顿解释说: “你可以用两块三棱镜HIK和LMN代替此凸透 镜,由于彩色光在这两块三棱镜中的折射方向与第 一 次折射时相反,这两块三棱镜可以使发散光线会 聚,并在0处再次相遇(图2).因为在0处相遇并混 合,像使用凸透镜时一样它们复合成白光.” 图2 用两个三棱镜也可以做成光的色散复合实验. 一 种情形是用两个不同的三棱镜,或是介质材料不 同,即dn不同,或是顶角不同,使光通过第一个三棱 镜色散时发散,而通过第二个三棱镜时会聚,且会聚 程度大于第一个三棱镜的发散,如此可以使经由第 一 个三棱镜色散的光,在经过第二个三棱镜后会聚 一 35— 2005年第10期物理通报实验教学研究 成白光.另一种情形是用两个同样的三棱镜,但并不 相互靠近,更不能使相对的面彼此平行,而是如图3 所示放置. 图3 我们知道光通过三棱镜时的偏向角的大小与 介质的折射率n有关,还与三棱镜的顶角和入射 角i.有关.出射角与入射角相等r:=r.时,偏向角 最小,即F1:/”2:鲁:2:,i: 2一0[3]. 计算可知,对于常用的三棱镜来说有如 1的关系. 表1显示,偏向角与入射角il有关,因而有可 能用当前中学实验室中常备的两个同样的三棱镜, 第一个三棱镜以最小偏向角使白光色散,再用第二 个三棱镜以较大偏向角使色散的光复合.图3中,i 为48.59~,偏向角为37.18~;i1为30.00~,为 47.10~.总的偏向角为37.18o一47.10~=一9.92~.如 此,有可能实现白光的色散与复合.以上只是理论计 算,且只是按白光笼统地计算,是否可行尚有待实验 进一步验证. 表1三棱镜顶角0=60~,折射率n=1.5 入射角折射角入射角出射角偏向角序号备注 1/(.)r1/(.)r2/(.)2/(.)/(.) 最大(临界127 . 9218.1941.8190.0057.92值无射出) 230.0019.4740.5377.1047.10 340.0025.3734.6358.4738.47 445.0028.1331.8752.3737.37 548.5930.0030.0048.5937.18最小 650.0030.7129.2747.2137.21 760.0035.2624.7438.8838.88 870.0038.7921.2132.8742.87 980.0041.0418.9629.1749.17 最大(临界109o . 0041.8018.2o27.9257.92值无射入) 前苏联物理学家兰茨别尔格(r.C.,J-IaH~c一 一 36— 6epra)所着《初等物理学》[]一书中介绍了两个实 验.该书对光的色散实验采用了如图4所示的方法. S,== 图4 S为缝屏,S为不放三棱镜时,缝.S呈现在屏上 的像.缝屏.s与凸透镜间的距离略大于焦距,呈现像 5的屏需经调节放在离凸透镜较远的合适的位置 上.在紧挨着凸透镜的地方放置三棱镜,则各种色 光的光束通过三棱镜后的会交点(.s的像点)将在屏 上由上到下依红……紫的顺序排开,从而实现光的 色散. 笔者做过此实验,效果很好.实验利用”J20218 光的色散与合成演示器”所配备的器件,只要另加 一 个凸透镜即可. 1D…. 一?=== 图5 该书对色光复合的实验如图5所示.平行白光 照射到三棱镜的一个面上,在光的出射面处,置以光 阑,再在三棱镜后面放一个凸透镜.由三棱镜射出的 各种色光的平行光束(其中大部分是重叠在一起的) 经过凸透镜会聚后,分别会交于焦平面的不同位置 (也就是在焦平面处实现了色散).经过焦平面后,各 色光束发散,在屏AB处又归于重合,形成白色光 斑,即实现了色光复合. 在焦平面左右两侧,放置光屏,可显示出都是上 红,下紫,中间白的颜色(与牛顿信中所说的实验不 同,该信件中说在会交面两侧颜色顺序相反). 更有意思的是,如果在焦平面处用障碍物(如铅 笔)挡住某一种颜色的光,则在AB屏上显示彩色, 2005年第10期物理通报实验教学研究 石英挠性摆抗冲击实验研究 贾翠红 (福建师范大学物光学院大学物理教学部福建福州350007) 摘要:通过实验对石英挠性摆抗冲击特性进行研究,获得了一系列重 要数据和重要结论 关键词:石英挠性摆脆性材料断裂 石英挠性加速度计是测量物体微小加速度的 常用仪器,石英挠性摆作为石英挠性加速度计的关 键部位,其可靠性直接关系到整个加速度计的质量 和精度.石英挠性摆的主要结构特点是用熔融石英 玻璃经特种工艺加工形成挠性支撑,其精度高,稳定 性好;但由于熔融石英玻璃为脆性材料,它的抗冲击 能力强弱决定了挠性摆的可靠性.本文通过实验研 究石英挠性摆的抗冲击能力,获得了挠性摆能耐受 断裂的重要数据,从而为石英挠性加速度计的正确 选择提供了重要依据. 1实验原理 对单自由度系统,冲击响应原理图如图1所示. 图1冲击响应原理图 图1表示具有线性弹簧和黏性阻尼的单自由度 系统,当受到加速度冲击时的系统响应情况.弹簧的 作用可以将能量暂时储存起来,然后缓慢释放,以延 长冲击作用时间,从而减小冲击力.阻尼器c的作用 可以将能量的一部分转化为热耗散掉.处理冲击实 验的方法采用冲击响应谱.研究冲击响应谱,对于 冲击隔离的设计,冲击的数据处理和冲击环境模拟 实验等有重要意义.运动方程式如下 嘞删一 mjM 其中为物体质量,K为弹簧刚度(g?cm/rad),? 为固有圆频率,为无量纲阻尼系数,Y(t)为物体 质量对底座产生的相对位移,为输入冲击 加速度. 本研究分别在冲击摆和电动振动台两种实验台 进行加速度冲击实验,从而检验摆片的抗断裂能力. 2实验过程 制作十块石英挠性速度计,并将其依次编号. 在石英挠性加速度计摆片的制作过程中,对摆片激 光修复工作前后分别进行无损技术检测,观察挠性 轴部位有无缺陷,通过拍照分别将它们的情况记录 且这种彩色就是被挡色光的补色. 做这个实验除需用三棱镜,凸透镜,光屏,光阑 等之外,还需要一个平行光源.笔者用的是J2O218现 成的光源和三棱镜,只是外加一个直径约10厘米的 放大镜.实验效果很好. 上述兰茨别尔格在书中介绍的两个巧妙且易行 的实验,其基本技术方法都能在牛顿的《光学》一书 中找到,只可惜直到近年才见该书中译本. 三棱镜光的色散和复合实验的方法还有不少, 现仅选以上几例供参考,不当之处还望指正. 参考文献 1牛顿着.周岳明,舒幼生,邢峰,熊汉富译.光学.北京:科 学普及出版社,1988 2中学物理教师手册.上海:上海教育出版社,1982 3高中物理教学参考读物?几何光学.上海:新知识出版 社,1958 4兰茨别尔格着.周恒涛译.初等物理学.上海:上海教育 出版社,1963 — 37—