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牛顿在光学上的成就
发布时间:2017-12-06  信息发布人:管理员  

  牛顿的《光学》是他的另一本科学经典著作(1704年)。该书用标副标题是“关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文”,集中反映了他的光学成就。

  第一篇是几何光学和颜色理论(棱镜光谱实验)。从1663年起,他开始磨制透镜和自制望远镜。在他送交皇家学会的信中报告说:“我在1666年初做了一个三角形的玻璃棱镜,以便试验那著名的颜色现象。为此,我弄暗我的房间……”接着详细叙述了他开小孔、引阳光进行的棱镜色散实验。关于光的颜色理论从亚里士多德到笛卡儿都认为白光纯洁均匀,乃是光的本色。“色光乃是白光的变种。牛顿细致地注意到阳光不是像过去人们所说的五色而是在红、黄、绿、蓝、紫色之间还有橙、靛青等中间色共七色。奇怪的还有棱镜分光后形成的不是圆形而是长条椭圆形,接着他又试验“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“将棱镜放在外边”再通过孔、“玻璃的不平或偶然不规则”等的影响;用两个棱镜正倒放置以“消除第一棱镜的效应”;取“来自太阳不同部分的光线,看其不同的入射方向会产生什么样的影响”;并“计算各色光线的折射率”,“观察光线经棱镜后会不会沿曲线运动”;最后才做了“判决性试验”:在棱镜所形成的彩色带中通过屏幕上的小孔取出单色光,再投射到第二棱镜后,得出核色光的折射率(当时叫“折射程度”),这样就得出“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非匀匀的混合体”。这个惊人的结论推翻了前人的学说,是牛顿细致观察和多项反复实验与思考的结果。

  在研究这个问题的过程中,牛顿还肯定:不管是伽利略望远镜(凹、凸)还是开普勒望远镜(两个凸透镜),其结构本身都无法避免物镜色散引起起的色差。他发现经过仔细研磨后的金属反射镜面作为物镜可放大 30~40倍。1671年他将此镜送皇家学会保存,至今的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构。牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方法,至今仍是不少工厂光学加工的主要手段。

  《光学》第二篇描述了光照射到叠放的凸透镜和平面玻璃上的“牛顿环”现象的各种实验。除产生环的原因他没有涉及外,他作了现代实验所能想到的一切实验,并作了精确测量。他把干涉现象解释为光行进中的“突发”或“切合”,即周期性的时而突然“易于反射”,时而“易于透射”,他甚至测出这种等间隔的大小,如黄橙色之间有一种色光的突发间隔为 1/89 000英寸(即现今 2 854×10-10米),正好与现代波长值5 710×10-10米相差一半!

  《光学》第三篇是“拐折”(他认为光线被吸收)即衍射、双折射实验和他的31个疑问。这些衍射实验包括头发丝、刀片、尖劈形单缝形成的单色窄光束“光带”(今称衍射图样)等10多个实验。牛顿已经走到了重大发现的大门口却失之交臂。他的31个疑问极具启发性,说明牛顿在实验事实和物理思想成熟前并不先作绝对的肯定。牛顿在《光学》一、二篇中视光为物质流,即由光源发出的速度、大小不同的一群粒子,在双折射中他假设这些光粒子有方向性且各向异性。由于当时波动说还解释不了光的直进,他是倾向于粒子说的,但他认为粒子与波都是假定。他甚至认为以太的存在也是没有根据的。

  在流体力学方面,牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正比,这种阻力与液体各部分之间的分离速度成正比,符合这种规律的(如、空气与水)称为牛顿流体。

  在热学方面,牛顿的冷却定律为:当物体表面与周围形成温差时,单位时间单位面积上散失的热量与这一温差成正比。

  在声学方面,他指出声速与大气压强平方根成正比,与密度平方根成反比。他原来把声传播作为等温过程对待,后来 P.S.拉普拉斯纠正为绝热过程。