牛顿棱镜:把白光拆成彩虹
一束阳光穿过三棱镜,墙上出现一条彩虹。白光不是白的——它是很多颜色的叠加。
| 需要 | 玻璃三棱镜(¥10–30)、阳光或白光 LED、白纸当屏幕、量角器/手机 |
| 时间 | 30 分钟 |
| 花费 | ¥10–30 |
| 难度 | ★☆☆ |
| 验收 | 用阳光能看到红到紫的连续色带,且红与紫的偏折角差 ≥ 1°(白光 LED 光谱有峰,只作对比,不作主光源) |
为什么值得做
1666 年,牛顿让一束阳光穿过棱镜,第一次证明"白光由各种颜色组成,而且颜色不能再被分开"。
这是"光的颜色到底是什么"这个问题的第一个正确答案,也是你第一个能亲手做出来的"光谱仪"。
怎么做
- 让一束窄光射进来:阳光从窗帘缝、或用手电筒+纸板开一条 3mm 的缝。
- 光穿过三棱镜(顶角朝上,让光斜着入射一个面)。
- 对面白纸当屏,转动棱镜,直到纸上出现清晰的彩虹。
- 观察颜色顺序:红橙黄绿蓝紫。红色偏折最小、紫色最大。
- 量:在纸上记下红光和紫光的位置,量它们到"无棱镜时光点位置"的距离,反推两个颜色的偏折角差。
- 手机拍照,旁边放尺子当比例尺。
为什么颜色会被分开
玻璃对不同颜色的光折射率不同(色散),紫光折射率更大,所以弯得更厉害:
n(紫) > n(红) → 紫光偏折角更大
白光是多种波长叠加,一进棱镜就各自走各自的,出来就摊开了。
AI 可以怎么帮你
- 算偏折角:
棱镜顶角 60°、玻璃折射率红 1.51、紫 1.53,入射角 40°,帮我算红光和紫光出射角各是多少,差几度。 - 从照片标颜色:
这是我拍的光谱照片(附尺子)。写一段 Python,沿光谱方向采样 RGB,标出红/绿/蓝三段的像素位置,换算成角度。 - 验证"颜色不可再分":
牛顿说单个颜色不能再被棱镜分开。我没法用第二块棱镜,能用什么办法在家里近似验证? - 解释为什么天空是蓝的:
这个实验和'天空为什么是蓝的'有同一个物理量在起作用——瑞利散射和色散差在哪?
坑
- 光要窄,缝太宽颜色会叠成一片白。
- 环境光太亮会把光谱冲淡,拉窗帘。
- 棱镜顶角朝上、斜面朝向光源,角度不对就看不到。
- 阳光是免费的但会动,用白光 LED 手电更稳,缺点是没有阳光那么强的连续谱细节。
想再往前一步
- 量红光/紫光偏折角差,和"棱镜色散表"对比。
- 换成不同液体(水、盐水、糖水)做"液体棱镜",看色散变化。
- 把光谱拍下来和手机屏幕的自发光光谱对比(LED 光谱有峰,不是连续谱)。
安全
阳光/白光 LED,别用激光直射眼睛。
做完把结果贴到 RESULTS.md。