光的顏色由波長還是頻率決定?

2021-01-20 恩譜談物理

一、現行高中、大學教材的說法都是波長

       在人教版高中物理教材上,光的顏色部分出現在色散知識裡面,課本介紹說,光的波長不同,顏色就不同。

       而大學物理教材《光學》裡面有相同的表述,認為光的顏色由光的波長決定,不同波長的光引起人的不同顏色視覺反映。

二、光的顏色由波長決定存在的突出問題

       我們知道,光在不同介質中的傳播速度是不同的,頻率卻不變,因此,光在不同介質中波長不一樣,如果光的顏色僅由波長決定,那麼,很容易得出一個結論:同一種頻率的光,在不同介質中的顏色是不一樣的!

       然而,生活經驗告訴我們,在水中看水面以上空氣中的光源發過來的光,光的顏色沒變!這說明了,儘管光在水中波長變短了,但是光的顏色並沒有變化!

三、光的顏色應該是由光的頻率決定的

       由前述水中看光的顏色,我們很容易得出結論,光的顏色是由光的頻率決定的!

       對於這個問題,可以這樣理解,光是由原子能級躍遷而產生的,原子能級躍遷時,輻射光子的能量等於兩個能級之差,而光子能量的決定因素是光子的頻率!人眼對顏色的反映,可以認為是人眼對光子能量的反映,不同頻率的光子,能量不同,引起人的視覺反映不同。

       物質對光子的反射與吸收、透射,都是由物質原子分子對光子的吸收與再輻射有關的,而分子原子吸收與再輻射光子,取決於能級結構,也就是物質的顏色取決於從物質反射、透射過來的光子的能量,這也說明了顏色與頻率的關係。

四、如何理解高中物理教材和大學物理教材的說法

       可以這樣來理解,通常我們談光的顏色時,都是光從空氣(或真空)進入人眼時引起的視覺反應,因此,教材中談光的顏色由波長決定,說的是光在空氣(或真空)中的波長——由於光在空氣(或真空)中的速度v不變(後面繼續深入討論這個問題),由v=λf可知,光在空氣(或真空)中的波長由頻率唯一決定。因此,說光的顏色由波長決定,與說光的顏色由頻率決定,是一回事。

       當然,教材的這個說法無可避免的與不同介質中光的波長變化但顏色不變相牴觸,但是,我們遷就一下教材說法也沒大的問題——將教材的說法限定在空氣(或真空)中即可。教材上給出了光的波長與顏色的對應表格,並指出光譜是按波長的一定順序(由短變長)分開排列在一起的「家譜」,這裡說的都是光在空氣(或真空)中的波長。

五、光在空氣中的傳播速度不變嗎?

       我們知道,海市蜃樓、沙漠蜃景、柏油路面「倒影」等現象,是基於空氣密度不同折射率不同而得到解釋的,空氣密度越大,其(絕對)折射率越大,也就是說光的傳播速度與空氣的密度有關!

       那麼,課本所謂空氣的折射率,應該對空氣溫度、壓強、溼度、成分等指標給出明確限制,才能談論。

       所以,課本上的數據,實際上應該是對真空而言的,也只有真空中,才能明確的說光速不變,光的頻率與波長一一對應。電磁波譜裡,談不同波長,也是指光在真空中的波長。

六、本文討論的這個問題真的重要嗎?

       其實吧,要引起人的視覺反應,光都得進入人眼。也就是說,光在介質中,談不上什麼顏色,也就是有波長和頻率而已。而光進入人眼,也就可以認為是進了同一介質,光在人眼介質中的傳播速度視為定值,那麼,光的波長和頻率又一一對應了,不存在頻率不變波長變化的問題。因此,說成人眼對光的顏色感知由光的波長決定,也是沒問題的!

       嘿嘿,都是我在說,怎麼說都有理!


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