当前位置: 玻璃 >> 玻璃发展 >> 为什么普通的玻璃砖不可以分解出光各种颜色
上过初中的朋友都知道,使用三棱镜可以将白色的太阳光分解出来(也叫光的色散),变成七彩缤纷的颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,也就是彩虹的颜色,确实非常神奇惊艳。
三棱镜从三棱镜中将光演变成七彩颜色,这不仅是大自然的美丽,也是人类智慧的杰作。为什么我们肉眼看见的太阳光都是白茫茫的一片,而通过三棱镜就可以分解为各种彩色呢?莫非是眼睛欺骗了我们,还是我们的眼睛存在不足呢?
三棱镜分解出的光光在真空中传播不仅速度是最快,而且路线也是直的,但是进入到介质以后,光就会发生偏折,也就是我们所说的折射。比如光从空气进入水面、进入玻璃面,都不是一条直线直直进入的,而是会在两种介质交界面发射折射。光从空气射入三棱镜,就会在三棱镜里面发生第一次折射(偏折),从三棱镜出来时,又会发生一次折射。
三棱镜色散我们知道,自然界中的光是由各种单色光合成的,我们称之为复色光(光为什么有颜色,我们在后面再讲)。光的颜色是由光的频率(波长)决定的,这些复合光中各单色光的频率不一样,因此它们具有不一样的颜色,当他们混合一起的时候,就显示为白色。频率最小的是红色光,频率最大的则是紫色光,但是它们在真空中的传播速度都一样,均为光速u。
从波长与波速的公式λ=uT(u为波速、T为周期),以及频率与周期公式T=1/f可知,频率越高,则波长越短。那么频率最小的红色光它的波长是最长的,可以达到nm;而频率最大的紫色光,它的波长是最短的,最多只有nm。
不同波长光通过玻璃的变化我们知道不同颜色的光,它们的频率是不同的了,那么这些不同颜色的光在进入另一种介质时候,它们的折射又是怎样的呢?对同一种介质,光的频率越高,介质对这种光的折射率就越大,也就是说在7种颜色光中,折射率最高的是紫色光,最低的是红色光。折射率最大的,出三棱镜后往下偏折的角度就越大,所以我们看到通过三棱镜的光最下面的是紫色光,最上面的是红色光,当然彩虹的颜色也是这个顺序。
大自然双彩虹为什么只有三棱镜可以分解光,而普通的玻璃砖块却不可以呢?由于普通的玻璃砖是一个矩形结构,两边对称,当光进入玻璃砖时候,发射了折射,在玻璃里面分解了光,也就是发射了色散。但是在光从玻璃另一面出去的时候,光又发生了一次折射,进入玻璃时候光的折射角小于入射角,而离开玻璃的时候度折射角大于入射角,这就导致了光线从玻璃砖出来后和进来前是平行的!进去时候分解了光,出去时候又复合了,等于没有分解,你就看不到了!
光通过玻璃砖块光路而三棱镜不是对称的界面,当光从空气进入三棱镜一个界面,再从另一个界面出去时候,对于射出界面的法线(垂直于介质表面的虚拟线)而言,光线的入射方向换了个位置。虽然光入射三棱镜的时候折射角小于入射角,出去的时候折射角也是大于入射角,但是由于入射方向变了,就等于光两次折射不是抵消,而是叠加的。这样从三棱镜出去的光折射效果就很明显了,而通过玻璃砖是两次折射抵消。如果用坐标表示,上述光的入射过程如下:如果以法线为y轴,介质界面为x轴,光入射三棱镜的时候,光从第四象限进入,第二象限出去;但是出去的时候,变成光从第二象限发出,从第一象限出来,详见下图。
光通过三棱镜光路光的折射率与光的频率是有关系的,它们的关系又是怎样的呢?法国科学家柯西就曾经列出了一个公式表示它们的关系:
n(f)=a+bf^2+cf^4(其中n(f)为折射率,f为频率,a、b、c为柯西色散系数)
这是一个很复杂的求算过程,因此一般人只要知道折射率与频率相关就可以,并且频率越高,折射率越大。
彩虹光为什么有各种颜色,这是因为光是由不同波长的电磁波组成的(光是一种电磁波),而我们眼睛之所以看到颜色,这是因为我们眼睛中有一种叫做视黄醛的东西,它能反应给我们大脑产生视觉颜色。视黄醛对部分的光有反应,而且会因为光波长不同而反应不同,从而将它的不同反应结果通过神经传递给大脑,我们大脑也就有了各种不同的颜色视觉。因此,并不是光具有颜色,而是光射入眼睛后,眼睛的结构让我们大脑出现了颜色。从某个意义上说,颜色只是人大脑的幻觉。
平行彩虹在科学未揭开这个世界的真实面貌前,我们肉眼看到的或许只是这个世界的假象。因此在探索自然的路上,耳听未必为实,眼见未必为真,只有通过科学的方法、细致的观察、严格的逻辑才能逐渐找到它们本来的面目。