物体颜色的研究
江苏省泰州职教中心校02综合⑤班 严秀娟、魏璇玑、窦华勤、潘小亚、梅慧
指导教师：马永祥
[摘要] 运用光的色散、干涉等原理，通过一些实验，研究物体颜色之谜、彩虹
合成白色、在彩色光线下观察事物、比黑还黑、天空为什么是蓝的、肥皂
膜上的彩色等现象。
[关键词] 物体  颜色  研究

[正文]
    我们生活在五光十色的大自然中，随时都在欣赏着各种颜色。那绿绿的树、青青的山、万紫千红的鲜花、蔚蓝色的天空和金黄色的太阳，都能给人以美的享受。但是，你想过吗？这些绚丽的颜色是哪里来的呢？
    远古时代，人类就不断地看到雨后的彩虹，并且流传着无数关于彩虹的神话。可是，在很长的历史时期中，大家都弄不清楚彩虹中为什么有这样艳夺目的颜色。
    很早以前，人们已经学会把金刚石、水晶等宝石磨制成带有各种棱角的装饰品。在光的照耀下，它们闪耀着虹一样的色彩，这美丽的颜色，又是从哪里来的呢？古往今来，这些问题吸引了许多科学家，他们进行了无数次观察，花费了许多时间去思考，并且提出了各种学说。但是在十七世纪六十年代以前，问题始终没有得到满意的答案。

    一、物体颜色之谜

    在众多的科学家之中，是谁最早揭开颜色之谜的呢？就是著名的英国科学家牛顿。这是他对物理学的又一个重大贡献。
    牛顿在他的著作《关于光和色的新理论》中这样写道：“我在一六六六年初，做了一个三角形的玻璃棱镜，利用它研究色的现象。为了这个目的，我把房间弄成漆黑的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来，我又把棱镜放在光的入口处，使光能够折射到对面的墙上去。当我第一次看见由此而产生的鲜明而强烈的颜色，我感到极大的愉快。”
    我们做过这样一个有趣的实验：阳光通过棱镜以后，就被分解成美丽的彩带，好象谁把天上的彩虹截了一段挂在墙上一样。每个人都会被那鲜艳、浓烈而又纯正的颜色所吸引。原来，世界上各种颜色早已包括在日光中了。正是这个缘故，牛顿把彩虹称为“日光的幻影”。
    地球上每一种颜色都和阳光分不开。各种颜色的光从太阳上发出来的时候是混在一起的，所以长期以来，人们被阳光白色的外表所欺骗，直到牛顿的时代，才揭穿了阳光的秘密。
    棱镜为什么能把阳光分成七色呢？
    原来，不同颜色的光，它们的波长是不同的。什么是波长呢？可以用水波做例子来说明，水面激起的波浪总是一个紧接着一个的。波浪的最高点叫波峰，最低点叫波谷，两个紧挨着的波峰（或波谷）之间的距离就是一个波长。水中形成的波纹，它的波长可能只有几个厘米。光波的波长要比水波的波长短得多，例如一万四千个红光的波长连在一起才够一厘米长。光的波长虽然很短，肉眼看不出来，但是科学家用了一些巧妙的方法，还是测出了它们的数值。
    在眼睛看得见的光谱中，红光的波长最长，紫光的波长最短。在红光和紫光之间还有橙、黄、绿、蓝、靛这几种色光。
    不同颜色的光在真空中的传播速度是一样的，但是当它们进入透明物质以后，跑得就不一样快了，紫光跑得最慢，红光最快，其它颜色光的速度，介于红和紫之间。
    通过折射现象的研究，我们已经知道，光从空气进入某一种物质的时候，被折射的程度和它在这种物质中前进的速度有关。速度越慢，被折射得越厉害。七色光进入玻璃以后，其中，紫光的速度最慢，偏折得最厉害，因此，紫光就位于光谱的下端；红光的速度最快，偏折得也就比较少，因此，红光位于光谱的上端。橙、黄、绿、蓝、靛等色光，按波长的长短，依次排列在红光和紫光之间。棱镜就是这样把白光分解成七色光谱的。

    二、彩虹合成白色

    牛顿的这个发现看来很简单，但是在十七世纪却是一个惊人的发现。一六六六年，牛顿用三棱镜分析阳光的时候，他只有二十四岁。几年后，当这位年轻的科学家以激动的心情在英国皇家学会的科学讨论会上公布这个重大发现的时候，他并没有受到普遍的重视和赞赏，甚至还遭到激烈的反对。
    人们当时理解不了牛顿的精辟见解——最常见的光是一种成分复杂的光，而色彩鲜艳的光却是简单的。牛顿为了说服大家，又做了许多次把七色光合成白光的实验。下面我们用实验来证明，有颜色的光确实可以合成白光。
    把一个焦距大约为十厘米的放大镜，放在水棱镜和白色硬纸片中间，由水棱
镜分解出来的形成光谱的光线通过透镜以后，能在纸上会聚成一个长方形的像。

    放大镜把七色                 光又聚合成白光


    这是包镜子用的铝箔纸上长方形孔的像（如果不够清晰，可以前后移动这面放大镜，使像清晰起来）。你一定会发现那是一个白色的像，完全没有颜色。
如果用一把尺的窄面把射向放大镜的七色光，在途中挡住一部分，纸片上就立即全呈现出一种料想不到的颜色。例如，挡住红光，白纸片上就呈现出蓝绿色。这是因为白光中缺少了一种色光，就再也合不成白光。慢慢移动木尺逐渐挡住光谱中的黄、绿、蓝等色光，在纸片上就会呈现出其它各种鲜艳色彩。

    三、在彩色光线下观察事物

    一切东西，只有在日光下才呈现出它本来的颜色。如果是在彩色光线的照耀下，它们的颜色就会发生变化。
    为了弄明白这一点，只要透过彩色玻璃片或彩色玻璃纸来观察就行了。
    取几张红色的玻璃纸和几张绿色的玻璃纸。在桌子上放两个柿子椒、两个西红柿。先透过红玻璃纸（最好是多层玻璃纸）来观察这两样东西。真奇怪，西红柿颜色变淡了，而柿子椒却成了黑色的。
    再用多层绿玻璃纸来观察一下，情况恰好相反。柿子颜色变淡，而西红柿却成了黑色的（参看彩色插图）。让我们再来做一个实验：
    找两支彩色铅笔，一支和红玻璃纸的颜色一样，一支和绿玻璃的颜色一样。在一张纸上轻轻地写上一段话，其中一些字用红色铅笔写，另一些字用绿色铅笔写。如果透过红玻璃纸来观察这些字，红色字消失了，而绿色的字变成黑的。用绿玻璃纸来观察，情况正好相反。
    彩色玻璃纸就是一个光的筛子。例如：红色玻璃纸只让红光通过而把其它颜色的光滤掉（实际上是吸收掉），所以把红玻璃纸罩在眼睛上的时候，整个世界就染上了一层红色，就象太阳突然只用红光照耀大地一样。
    柿子椒在红光照耀下为什么是黑色的？原因是：绿色的柿子椒本来只反射绿光，照在它上面的红光不包含绿光的成分，因此全被吸收了，几乎不反射什么光，所以看上去就是黑色的。同样的道理，绿光照射下的西红柿也是黑色的。
    白色物体的表面毫无保留地反射一切入射光，所以红光照上去就是红色，绿光照上去就是绿色。在红光下，白纸和纸上的红字都反射红光。如果红字的颜色和白纸对红光的反射强度一样，那么，红字和白的背景就分不开了。这时候你就认不出纸上的字。同样，在红光的照射下，你会弄不清西红柿原来是红色的还是白色的，而且感到西红柿的颜色变淡了。
    夜晚，街上有各式各样的灯，高压水银灯发出的光，给人以清冷的感觉，原因是里面含有较多的蓝光而缺少红光和黄光。高压钠灯则是以黄光为主。还有许多五颜六色的霓虹灯。这些灯都给我们提供了做实验的好机会。在这些灯下，你身上衣服的颜色会发生有趣的变化，你能解释为什么会发生这种变化吗？
    
    四、比黑还黑

    一个物体如果能把照在它上面的光线全部吸收掉，这个物体就是黑色的物体。但是在实际上，无论是一块黑布还是一个黑色的墨点，多少都能反射一点点光，所以看上去不那么黑。只有黑的洞口看上去才是真正的黑。
    找一个装皮鞋的纸盒，在盒的一端挖一个直径大约十二毫米的洞。用墨汁把鞋盒的这一侧面涂黑，等墨汁干了以后，这个涂黑的表面真是够黑的，但是中间的洞口看起来更黑。
    为什么洞口看上去老是那么黑的呢？原来，光线进入洞口以后，就不容易从洞口再出来。
    它总是从一个面被反射到另一个面，每反射一次就被吸收掉一点。经过多次反射后，光线就所剩无几了。所以光线只要射进洞口内，就很难再跑出来。
    你不妨对着镜子看看自己眼睛的瞳孔，它就是眼球接纳光线的“洞口”。它为什么看起来总是黝黑的，现在你该明白了吧！
    你也许对上面这个实验不感兴趣，那是因为你还不了解它的意义。科学家曾经把类似这种鞋盒的仪器叫做“绝对黑体”。这种仪器在物理的发展史上起过极其重要的作用。
    现代物理学基础之一——量子力学的诞生，就和对黑体的研究分不开。德国物理学家普朗克深入地研究了绝对黑体辐射的规律。一九OO年十二月十四日，他在德国物理学会的一次会议上发表了他的研究成果。许多人就把这一天当作量子力学的诞生日。
    箱式太阳灶也应用了上述实验中的原理。把一个本箱里的内壁钉上一层铁皮，并且涂上黑漆；箱子的夹层填上隔热材料（砻糠或木屑），箱子顶上装上一层或两层玻璃。这就成了一个箱式太阳灶。阳光透过玻璃射入箱子里，大部分都被箱子内壁吸收。于是，箱内的温度逐渐升高，有时候甚至能升高到摄氏一百度，可以用来烧水、做饭。

    五、天空为什么是蓝的

    天空为什么是蔚蓝色的？太阳在快落山的时候为什么是桔红色的？通过下面的实验，可以找到答案。
    在阳光照进屋子的时候，把一张桌子摆在阳光下，在桌子上放置一个玻璃鱼缸，并且把它灌满清水。然后在一张硬纸片上挖一个直径为二十五毫米的圆孔，再把纸片立在鱼缸的前面。
    在适当角度放置一面镜子，利用镜子来反射阳光，使阳光通过纸片上的圆孔水平地穿过鱼缸。
    然后，再用一条肥皂在水中不停地搅拌，直到水变得混浊为止（也可以点上几滴牛奶使水混浊）。这时候水中的光束就会清晰起来。先从侧面观察，你会看到鱼缸内的光束是浅蓝色的。再迎着光束前进的方向来观察，你会发现，光束的颜色变成了桔红色。
    如果鱼缸的水是清的，从侧面就看不到穿过去的光束。只有使水混浊以后你才能看见光束。为什么呢？因为混浊的水里悬浮着很多细小的微粒，当光束通过它们的时候，一部分光线就向四面八方散射（这就叫光的散射）。散射的光线离开了原来的前进方向，进入你的眼里，才使你在和光束垂直的方向看见了光束。
在和光束垂直的方向上你看到光束呈浅蓝色，这正说明了蓝色光受到散射。而余下的红光和黄光则毫无阻碍地穿过去，所以迎着光束看去，由于光束中夫去了一些蓝光而变成桔红色。
    在历史上，有许多科学家深入地研究了散射现象，也做过和上面类似的实验。他们发现，当光通过浑浊物质的时候都会发生散射。那些极小的微粒，对波长不同的色光散射程度并不相同，波长越短，被散射得越厉害。蓝光波长比红光短，它受到的散射程度比红光要大五倍。如果微粒比较大，波长较长的黄光、橙光也会受到散射。
    因为空气中飘浮着大量的微尘和极小的水滴，阳光在地球周围的大气层中也受到类似的散射（另外空气分子也在起作用）。那些波长比较短的紫光、靛光、蓝光受到的散射较大，它们混合起来，构成了蔚蓝色的天空。
    太阳落山的时候，光线斜穿过厚厚的大气层。在这么长的路程中，波长较短的蓝光大部分被散射掉了，直接射入你眼帘的光，是失去蓝光的日光。所以，太阳看上去已经不是那么耀眼，而变成一个大火球，颜色就象我们在刚才实验中迎着光束看到的那样，是桔红色的。
    月球周围没有大气层，阳光不会受到散射，所以月球上的天空和地球上的大不相同，完全是黑色的，星星和太阳同时在天空中出现，就象镶在黑色天鹅绒上一样。由于没有空气，那里也就没迷人的早霞和晚霞。

    六、肥皂膜上的彩色

    棱镜的折射和颜料对光线的吸由和反射，都能产生颜色，但自然界中美丽的颜色并不都是由这些原因产生的。研究颜色的其它来源曾大大地推动了光学理论的发展。下面让我们来做一个有趣的实验。
    在一个清洁的玻璃杯中倒入一些煮开过的温水，放入一小撮洗粉，然后用干净的小棍不断地搅拌，直到洗衣粉完全溶解为止（注意：洗衣粉不要放得太多）。为了使肥皂膜更结实一些，可以掺进一点糖或甘油。肥皂水搅拌好以后放置一会儿，就可以用来吹肥皂泡了。但是我们的目的不是要吹肥皂泡，因为肥皂泡总是飘浮不定的，不便于观察。我们的目的是要用这种肥皂水制造一个肥皂膜。
    用一个瓶口较大的瓶子，或用硬塑料电线弯成一个圆圈，在肥皂水中浸一下，这样，就在瓶口或圆圈上挂上了一层薄膜。把瓶口慢慢地转向自己，就会看到肥皂膜象镜子一样闪闪发亮，反射着天空射来的光（不是太阳直接射来的光，而是天空的散射光）。只要你注意观察，你准会在肥皂膜上看见一条条彩色带。
肥皂膜本身没有颜色，那么，这些颜色是哪里来的呢？
    是由肥皂膜的前后表面反射回来的两组光波相遇后形成的。光波象水波一样也有波峰和波谷。当波峰和波峰相遇的时候，波峰就会加强（波谷和波谷相遇的时候也是一样），加强的地方就显得明亮，反之当波峰和波谷相遇的时候就会互相消减（水波干涉的情况见插图照片）
    大家都知道，照在肥皂膜上的白光是由各种不同波长的单色光波组成的。在薄膜上，哪些波长的光波会加强，哪些波长的光波会相互削弱，这和薄膜的厚度有密切的关系。由于竖立着的肥皂膜上的肥皂水慢慢地向下流动，形成了部厚、上部薄的一层薄膜（见下图）。如果在某一部分，膜的厚度恰好使它的前后表面反射回来的两组红光相互抵消了，在这个地方你看到的就是失去了红光的白光，看上去就是蓝绿色。而在另一部分，由于膜的厚度改变了，相互抵消的就是另一种光波，呈现出来的就是另外一种颜色。肥皂膜就是这样把白光分解开来。这种现象叫做光的干涉现象，形成的颜色叫做干涉色。
    皂膜上的彩色条纹为什么基本上是水平的呢？
    这是由于肥皂膜在同一水平线上厚度相同，厚度相同的地方，由干涉现象产生的颜色也相同。这件事情启发我们：是不是可以利用干涉条纹来测量物体的厚度呢？可以。例如：在制作光学仪器的时候，常常需要磨制一块十分平滑的平面玻璃，它的偏差不准超过万分之一毫米。这样小的误差用普通的量具是测量不出来的。但是利用光的干涉原理就可以轻而易举地完成这个任务。
    检验的时候，要用一个精度极高的透明检验样板，和被检验的平面玻璃紧紧叠合在一起。它们中间有一个极薄的空气膜，在有光照射的时候，空气膜就会产生类似肥皂膜上的干涉条纹。如果被检验的玻璃板非常平滑，就会产生一组笔直的互相平行的干涉条纹，而表面不规则就会产生不规则的干涉条纹（见下图）。根据这种方法就可以断定成品是不是合格。
    在自然界里有许多光的干涉现象，可以供我们直接观察，但是人们往往对周围发生的现象不注意，也不爱问个为什么，所以放过了许多观察的机会。现在让我们举几个例子：
    下雨以后，马路上会出现一些积水。如果有汽车排出的废油滴在水面上，形
成一个极薄的油膜，油膜上就会出现环状彩色条纹。油膜上的不同颜色是由它的不同厚度决定的。由于油膜厚度不均匀，所以它就构成了一幅光怪陆离的复杂图案。
    在玻璃上有时候也能够看到五彩斑斓的颜色，这是因为，某些物质挥发的蒸气在玻璃窗上凝结成了一层透明的薄膜，在这个薄膜上，光也能发生干涉现象。