三棱镜分出七色光：光的色散实验

一束白光斜穿过三棱镜，在白纸上摊开成一条从红到紫的彩带。这就是光的色散。它证明的不是「棱镜能变出颜色」，而是白光本来就是由各种颜色的光混合成的——这是牛顿在 1666 年用一间暗室和两块棱镜做出的判断。

这个实验最容易做成「看个热闹」。真正让它成为一个实验而不是表演的，是后面那两步：把彩带合回白光，以及让单色光再过一次棱镜。

安全提醒（先读这一段）

• 绝对不能用眼睛直视太阳，也不要透过棱镜去看太阳。做阳光版本时，人始终背对太阳，只看白纸上的彩带。
• 不要拿棱镜或镜子把阳光反射到别人身上或脸上。
• 阳光很强时，实验做完就把棱镜收进盒子。透明玻璃制品长时间放在窗台聚光，有引燃窗帘或桌布的可能。
• 玻璃棱镜掉在地上会碎，在桌子中间操作，下面垫一块布。
• 用激光笔代替白光是做不出色散的（激光是单色光），而且有伤眼风险，不要用。

材料与器材

• 三棱镜一块。没有的话，装满水的方形透明塑料盒、或者斜靠在水盆里的小镜子，都能凑合出彩带；
• 白光源：晴天的阳光最好，其次是白炽手电筒。不要用 LED 手电或激光笔——LED 的光谱不连续，彩带会缺色；
• 开了一条 2 mm 窄缝的硬纸板（缝越窄，彩带越清楚）；
• 白纸或白墙作光屏；
• 做进阶步骤时：第二块三棱镜、红色玻璃纸或滤光片。

操作步骤

1. 拉上窗帘只留一条缝，或者用硬纸板的窄缝挡住手电筒，得到一束细而直的白光。
2. 把三棱镜放在光束里，慢慢转动它，同时在旁边的白纸上找。转到某个角度时，纸上会出现一条彩带。
3. 把纸移远一点，彩带会变宽、颜色分得更开。记下颜色从哪一端到哪一端的顺序。
4. 合回去。在彩带的路上放第二块三棱镜，把它倒过来（与第一块反向）。调整位置，直到后面的白纸上重新出现一个白色的光斑。
5. 再分一次。用红色玻璃纸挡住第一块棱镜射出的彩带，只放红光过去，再让这束红光穿过第二块棱镜。看它还会不会分成别的颜色。

现象记录

白纸上的彩带，颜色顺序是固定的：

其余两步的结果：

• 第二块棱镜倒放：彩带重新聚成一个白色光斑。位置调不准时会得到一个边缘带彩的白斑，那也是对的，说明大部分颜色已经合上了。
• 只让红光通过：红光穿过第二块棱镜后，方向被改变了（仍然发生折射），但颜色没有变，也没有分成别的颜色。

还有一个容易被忽略的细节：仔细看彩带，颜色之间没有分界线，是连续过渡的。所谓「七色」是牛顿当年为了和音阶的七个音对应而作的划分，实际的光谱是连续的，你也可以说成五色或者十色。

原理解释：为什么会分开

白光是复色光——由各种颜色的光混合而成。不同颜色的光，本质区别是频率不同：红光频率最低，紫光频率最高。

关键在于：同一种介质，对不同频率的光折射率并不相同。玻璃对紫光的折射率比对红光的大一些。而折射时光偏折的多少由折射率决定，折射率越大偏折越厉害。于是同样一束白光斜射进棱镜，紫光被掰得最狠，红光被掰得最轻，各种颜色一进一出被拉开成一条带子。

棱镜之所以比平板玻璃更有效，是因为它的两个面不平行：光进去折一次、出来又折一次，两次偏折方向一致、叠加起来，把颜色之间的差距放大了。平板玻璃的两面平行，出来时的偏折把进去时的抵消掉了，光只是平移一点，颜色也就合在一起看不出来。

频率决定颜色，这一点在色散里体现得很清楚：光从空气进入玻璃，速度和波长都变了，唯独频率不变，所以颜色也不变。红光在水里、玻璃里、空气里，始终是红光。

生活中的色散

• 彩虹：阳光射进空中的小水滴，在水滴里折射一次、在后壁反射一次、出来时再折射一次，三步下来颜色被分开。背对太阳才能看见彩虹，就是因为光是从水滴里反射回来的。
• 钻石的火彩：钻石折射率很高，色散也强，切工又把光在内部反复全反射，出来时颜色分得特别开。
• 玻璃杯边缘、水晶吊灯在阳光下投出的小彩边，都是同一回事。
• 喷水壶造的人工彩虹：背对太阳往空中喷一片水雾，就能看到一段彩虹，原理和天上的完全一样。
• 相机镜头的紫边：便宜镜头在强光边缘会出现紫色或绿色的轮廓，正是各色光聚焦位置不同造成的，专业镜头要用多片不同材料的玻璃去抵消它。

五个最容易搞错的地方

• 「棱镜把白光染上了颜色。」这正是牛顿之前的旧解释。第 4 步就是为了推翻它：如果颜色是棱镜给的，第二块棱镜只会让它更花，不可能把它变回白光。
• 把肥皂泡和光盘上的彩色也叫色散。不是。肥皂泡上的花纹是薄膜干涉，光盘背面的彩虹是衍射，二者都和棱镜的折射色散不是一回事。三者都能出彩色，成因完全不同，这是初中最容易混的一组概念。判断的抓手是：有没有经过一次「斜穿过透明介质」的折射。
• 「红光折射率大，所以红在最外面。」顺序记反了。紫光折射率最大、偏折最多，红光折射率最小、偏折最少。记不住可以联想彩虹：主虹外圈是红、内圈是紫。
• 「白光是没有颜色的光。」白光是所有颜色叠加的结果，不是「没有颜色」。真正「没有颜色」的是黑，那是没有光。反过来，把红、绿、蓝三种光叠在一起也能得到白光，这就是屏幕显示的原理。
• 「彩带一定是七条。」光谱是连续的，颜色之间平滑过渡，没有七道分界。七色是一种约定俗成的划分方式，不是物理事实。

给老师和家长的组织建议

• 课时与分组：25 分钟。棱镜数量通常不够，建议老师演示第 1～3 步，学生分组做第 4、5 步。
• 动手前先说清楚：任何时候都不许用眼睛直视太阳或透过棱镜看太阳。
• 器材上的准备：光源是成败关键。白炽灯、卤素灯或阳光都可以，LED 手电做不出完整彩带，因为它的光谱本身就缺一段。提前试一次再进课堂。

最容易被跳过的一步。「合回白光」几乎总被跳过，理由是器材不够、时间不够。但少了这一步，这节课就只是看了一次彩虹，没有构成任何论证。哪怕只由老师在讲台上演示一次，学生也能理解为什么这一步是关键。

怎么判断真的懂了。问一句：「如果棱镜是给光染色的，第二块棱镜应该出现什么结果？我们实际看到的是什么？」能把这两句说清楚，说明他理解的是论证，不只是现象。

拓展一下

• 在模拟里把棱镜的材料换成折射率更大的（比如钻石），看同样角度下光被掰弯的程度差多少。折射率越大，色散也越明显。
• 把激光的入射角一点点调大，找出光在棱镜内部发生全反射、不再从对面出来的那个角度。钻石之所以闪，一半靠色散，一半靠全反射。
• 做一个牛顿色盘。在圆纸板上画七个扇形，涂上七种颜色，用铅笔穿过圆心快速旋转。转起来时颜色会混成灰白色——这是「合回白光」的另一种做法，用视觉暂留完成。
• 在家里造一段彩虹。背对太阳，用喷水壶往前上方喷一片细水雾，调整角度直到看见彩带。记下太阳、你和彩虹的相对位置，会发现彩虹总在你影子的正对面。
• 用不同颜色的玻璃纸挡住白光再射向棱镜，看每种颜色的光分别落在彩带的哪一段。红玻璃纸之所以是红的，是因为它吸收了其他颜色只放红光过去，不是因为它给光加了红色。

当学生能说出「棱镜没添东西，它只是把本来就在一起的颜色分开了」，这个实验就做到位了。