关于“光在介质中传播是波长还是频率 发生改变”的对话

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图1 封闭玻璃管中分别以空气(左)和水(右)为介质的杨氏双缝干涉条纹，光源为氦氖激光

实验中直接用氦氖激光照射狭缝，在远场处的白墙上拍摄干涉条纹，见图1。实验结果表明，以空气为介质测得的干涉条纹间距要大于以水为介质的测定值， 证明了介质令光的波长发生了改变。接下来是定量比较变化量的相对大小。通过比较干涉条纹的间距的大小，就能够给出水的折射率。但是实验结果并没有给出空气中波长与水中的波长的比值等于预期的折射率1.33，而是1.21。对于这样的结果，孩子有些失望，于是便有了以下的对话：

女：“爸爸， 折射率会不会分开去除频率和波长？ 比方说， λ/√n和ω/√n ” ( 父亲计算了一下，1.33 = 1.153 ≈ 1.2 ，一时语塞……！)

父：“然然，你想想我们的实验能够给出精确值1.33 吗？你看，我们在空气中测量干涉条纹时，光线已经穿过了前后两个玻璃窗片(透明玻璃的折射率约为1.5)，这样测到的条纹间距肯定要比期望值要小，当然玻璃窗片对光在水中传播的干涉条纹间距也会有影响，因此我们偏小的结果应该是合理的。如果设计更理想的实验，使得测量结果十分接近或等于1.33，你还会认为折射率分开去除波长和频率吗？”

女：“当然不会”。

父：“那好，我现在可以负责任地告诉你：我们的测量结果偏小，是因为实验设计还不够精密”。

女：“那么我们还有什么办法能把测量精度提高？实验中都有什么干扰因素导致了误差？”

父：“有啊，首先在测量空气中的干涉条纹时不需要经过玻璃片，而是在固定长度的两个纸屏之间进行；其次是找一种折射率和水接近的材料替代玻璃，或者是找一种折射率接近玻璃的透明液体介质替代水，就能够有效地提高测量精度”。

女：“好主意，现在我明白了光在介质中传播只是波长发生了改变。那人眼为什么不会对波长的变化做出反应呢？”

父：“要回答这个问题，就要借助一点量子力学的知识。根据量子力学理论，光子携带的能量等于普朗克常数乘以光子的频率，也就是说，光子的能量是由其频率所确定的。人眼中的感光分子只对一定能量范围的光子产生感光反应，就像跨过一条壕沟一样，只有水平初速度(动能)大于某一最小速度才能够跨过去。因此人眼只对光的频率发生响应，如赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫光，人眼响应的是它们所对应的频率”。

女：“那么为什么平时讲光的颜色的时候总是提它们的波长，而不是频率呢？”

父：“首先是因为光的频率难以像波长那样容易被直接测量，因而波长更容易被大众所接受；其次我们日常所说的什么颜色的光对应于什么样的波长，只是对空气介质而言的，我们对光的颜色的认识是在空气中获得的。常识不等于严格的科学定义，因而常识往往会有科学的误区”。

本文选自《物理》2013年第4期

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