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光学实验室科普展品
EXHIBIT DETAILS

光学实验室

光影之绚

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展示目的及科学原理

介绍牛顿对于光的探索实验与工具发明,包括光的色散、反射式望远镜,以及延伸出的光的折射与反射、滤色现象。

操作方式

1.光的色散与混合

复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫作光的色散。复色光进入棱镜后,由于它对各种频率的光具有不同折射率,各种色光的传播方向有不同程度的偏折,因而在离开棱镜时就各自分散,将颜色按一定顺序排列形成光谱。1666年,牛顿利用三棱镜将日光分解出七色排列的光谱,并做了色光混合实验,科学地证明了光与色之间的关系。

牛顿发现颜色混合后可产生中间色或另一种新颜色,他利用一个简单模型把所有有关颜色混合的结果都概括进去。牛顿把光谱中从红到紫的七种颜色按顺序排列在一个圆上并各占一定区域。把各区域着上相应颜色制成圆盘,并令其迅速绕轴转动,利用人眼的视觉暂留效应,视网膜上将产生七种颜色的混合,得白色。牛顿的这个模型并不十分精确,这是人们寻找颜色合成规律的最初尝试。

不同颜色的色光越混合就会越明亮,即色光在混合后产生的混合色光,比混合前的各色光的平均亮度更亮,这种色彩混合被称为加色混合。

2.牛顿与反射式望远镜

在光的色散实验中,牛顿注意到不同颜色的光产生的折射角度不同。他马上意识到,当时人们普遍使用的折射式望远镜必定是不完善的,因为透镜的每一个局部都是某种形式的三棱镜,光通过三棱镜后,不同的颜色成分由于折射率不同不可能会聚在同一点上,这很好地说明了为什么在望远镜中看到的物体的像在边缘上总是有些彩色影像。

1668年,牛顿终于发明出与普通望远镜原理不同的反射式望远镜,彻底消除了色差现象。

牛顿用2.5厘米直径的金属,磨制成一块凹面反射镜,并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45度角的反射镜,使经过主镜反射后的会聚光经反射镜以90度角反射出镜筒后到达目镜。

反射式望远镜是通过反射来成像的,不存在色差问题。而且其镜片只需要制作球面或者抛物面,相较于折射式望远镜易于制作,成本较低。反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。

3.滤光片

滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的,红色滤光片只能让红光通过,如此类推。玻璃片的透射率原本与空气差不多,所有有色光都可以通过,所以是透明的,但是染了染料后,分子结构变化,折射率也发生变化,对某些色光的通过就有变化了。

减色混合是指色料混合后产生的混合色比混合前的颜色平均亮度低,并且随着混合的次数增多亮度不断变低,颜色的纯度也会下降。在减色混合中,色料混合后会互相吸收掉对方反射出来的部分色光,从而使颜色变暗。

4.立方光

光的反射是指波阵面从一个介质进入另一个介质时,在两个介质的界面处,其传播方向发生改变,而返回其原介质的现象。在光的反射现象中,无论是漫反射还是镜面反射都遵从光的反射定律,即在反射现象中,反射光线,入射光线,法线在同一平面内,反射角等于入射角,反射光线与入射光线分居法线两侧。平面镜成像就是光的反射造成的。

光的折射是指光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时,传播方向一般会发生变化。光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处,只是反射光返回原介质中,而折射光则进入到另一种介质中,由于光在两种不同的物质里传播速度不同,故在两种介质的交界处传播方向发生变化。

光学(optics)是物理学的重要分支学科。也是与光学工程技术相关的学科。狭义来说,光学是关于光和视见的科学,optics词早期只用于跟眼睛和事件相联系的事物。而今天常说的光学是广义的,是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线和γ射线的宽广波段范围内的电磁辐射的产生、传播、接收和显示,以及与物质相互作用的科学,着重研究的范围是从红外到紫外波段。它是物理学的一个重要组成部分,展品将牛顿的光学实验室进行了场景还原,选取了部分经典试验以此来展示光学的发展历程。

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