颜色与光谱

阳光看起来是白色的，却能被一块三棱镜分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色，这一现象让牛顿在1666年意识到：白光并不“纯粹”，而是多种色光混合而成的。彩虹的形成、屏幕上丰富的色彩、印刷品的颜色，都与光的本质密切相关。理解颜色的来源，是认识光与物质相互作用的重要一步。

光的色散

白光通过三棱镜后，在对面的屏上会出现一条彩色光带，颜色依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，这一现象称为光的色散。牛顿最早用实验证明了白光是由不同颜色的光混合而成的，各种颜色的光在通过棱镜时折射程度不同，因此被分开。

自然界中，雨后彩虹的形成原理与棱镜色散完全相同。空气中悬浮的小水珠相当于无数个微型棱镜，阳光进入水珠后发生折射、在水珠内壁反射，再次折射后射出，不同颜色的光被分散到不同角度，从而形成弧形彩虹。

光的频率与波长的关系由以下公式给出：

$c = \lambda f$

其中 $c$ 为光在真空中的速度（$c \approx 3 \times 10^8\ \text{m/s}$），$\lambda$ 为波长，$f$ 为频率。波长越短，频率越高；波长越长，频率越低。

例1　一束红光的波长为 $700\ \text{nm}$，求它的频率。

$f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8\ \text{m/s}}{700 \times 10^{-9}\ \text{m}} \approx 4.3 \times 10^{14}\ \text{Hz}$

红光的频率约为 $4.3 \times 10^{14}\ \text{Hz}$，这是人眼能感知的最低频率可见光，远高于声音的频率，无法被人耳感知。

例2　在棱镜色散实验中，红光和紫光哪个偏折角更大？偏折角的大小与什么有关？

紫光在玻璃中的折射率更大，通过棱镜时偏折角更大，因此在光屏上紫光出现在最靠近棱镜底边的一侧，红光出现在最外侧。偏折角的大小与光的波长（颜色）有关，波长越短的光偏折越大。

例3　将两个三棱镜如下方式放置：第一个三棱镜将白光分散成彩色光谱，第二个三棱镜颠倒放置。白光经过两个棱镜后，最终得到什么颜色的光？

第一个棱镜将白光分解成七色光，第二个颠倒棱镜再将七色光重新汇聚成一束。由于第二个棱镜对各色光的偏折刚好与第一个棱镜相反，各色光重新叠加，最终恢复成白光。这个实验由牛顿最早完成，证明了白光确实是多种颜色混合而成的，棱镜只是将其分离，并没有“创造”颜色。

光谱是所有颜色按波长（频率）排列形成的连续色带。自然界中，可见光只是整个电磁波谱中极小的一部分，人眼能感知的波长范围约为 $380 \sim 750\ \text{nm}$。

除了可见光，白光的两侧还隐藏着人眼看不到的辐射：红光外侧是红外线，紫光外侧是紫外线。它们虽然不可见，但可以用特殊仪器探测，在遥控器、消毒灯等领域广泛应用。

色光三原色

实验发现，红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种色光，可以按不同比例混合出几乎所有颜色的光，因此称这三种颜色为色光三原色（简称 RGB）。

色光的混合是加色混合——两种色光叠加在一起，亮度会增加，颜色也会发生变化。三种原色光等量混合时，结果是白光。

彩色电视机、手机屏幕、电脑显示器中的每一个像素点，都由红、绿、蓝三个极小的发光单元构成。调节三个单元各自的亮度，就能组合出各种颜色。关闭所有单元时，像素点不发光，显示为黑色；三个单元全部最亮时，显示为白色。

例3　在一块黑色幕布上，用红色和绿色两束手电筒的光照射同一区域，重叠部分看起来是什么颜色？

红光与绿光叠加后产生黄色，因此重叠区域呈现黄色。非重叠区域各自保持红色或绿色。这是典型的加色混合，与颜料混合的结果不同——颜料中红色和绿色混合是深褐色，而色光混合是黄色。

例4　一台彩色显示器需要显示以下颜色，请判断各颜色像素的 RGB 三基色发光状态：白色、黑色、黄色、青色。

颜料三原色

颜料（包括油漆、墨水、印刷油墨等）的混色方式与色光完全不同。颜料之所以有颜色，是因为它吸收了白光中的某些色光，只将剩余的色光反射出来。颜料混合时，每加入一种新颜料，被吸收的色光越多，反射的色光越少，颜色越深，这称为减色混合。

颜料三原色是青（Cyan）、品红（Magenta）、黄（Yellow），简称 CMY。这三种颜料两两混合，可以得到红、绿、蓝，三色全部混合理论上得到黑色（实际为深褐色，印刷时需单独加入黑色）。

例5　黄色颜料是什么颜色的光照射到它上面后，能反射出黄色的呢？

白光照射黄色颜料时，黄色颜料吸收蓝色光，将红色光和绿色光反射出来。红光和绿光混合后，人眼看到的正是黄色。这正是减色混合的典型案例——颜料本身不发光，它的颜色取决于反射哪些色光、吸收哪些色光。

现代彩色打印机采用 CMYK 四色墨水（青、品红、黄、黑）来还原各种颜色。三色混合理论上能得到黑色，但由于油墨纯度不够，混合结果偏褐色，因此单独加入黑色（K）来印刷文字和暗部细节，提升印刷质量。

例6　美术课上，同学甲将品红颜料与黄色颜料混合，同学乙用品红色光与黄色色光叠加照射白墙。两人分别得到什么颜色？

同学甲（颜料混合，减色）：品红颜料吸收绿光，黄色颜料吸收蓝光，两者混合后只有红光得以反射，结果得到红色。

同学乙（色光叠加，加色）：品红光 = 红光 + 蓝光，黄色光 = 红光 + 绿光，两者叠加同时含有红光、绿光、蓝光，三色叠加接近白色，但红光成分最强，视觉上偏亮红白色。

两者结果截然不同，根本原因在于：颜料混合是减色混合（叠加的颜料越多，反射光越少）；色光叠加是加色混合（叠加的光越多，亮度越高）。

透明物体与不透明物体的颜色

物体在日常环境中呈现的颜色，取决于它对光的处理方式——是反射、透射还是吸收。根据对光的处理方式，物体分为透明体和不透明体，两类物体的呈色原理不同。

透明物体的颜色，由它能透过的光的颜色决定。白光照射红色玻璃时，红色玻璃只允许红光透过，吸收其他颜色的光，透过的光呈红色，因此从另一侧看去，玻璃显红色。

不透明物体的颜色，由它能反射的光的颜色决定。白光照射红色苹果时，苹果表面吸收绿光和蓝光，反射红光，人眼接收到反射的红光，因此看到的苹果是红色的。

例7　用红色光照射一片绿色树叶，树叶看起来是什么颜色？

绿色树叶只能反射绿光，吸收其余颜色的光。用红色光照射时，树叶吸收全部红光，没有光被反射出来，因此树叶看起来接近黑色。这说明，物体的颜色在有色光源下会发生变化，只有在白光（或接近白光的光源）下，物体才呈现出它“本来”的颜色。

例8　一块蓝色玻璃和一块红色玻璃叠放在一起，用白光照射，透过的光是什么颜色？

蓝色玻璃只允许蓝光透过，红色玻璃只允许红光透过。白光先经过蓝色玻璃，只剩蓝光；蓝光再经过红色玻璃，红色玻璃不允许蓝光透过，全部吸收，没有任何光透过。因此，两块玻璃叠放后几乎不透光，看起来为黑色（极暗）。

例9　周围生活中有很多颜色现象与光的吸收和反射有关。分析下表中各物体的呈色原理。

天空呈蓝色的原因与光的散射有关：阳光中的蓝紫光波长较短，更容易被大气层中的微小气体分子向四面八方散射，而红光散射较少，越过大气层继续向前传播。因此，目视阳光时看到太阳偏黄白，而朝着太阳之外的天空方向看去，天空呈现蓝色。

练习题

选择题

第1题（考查光的色散规律）

白光通过三棱镜后发生色散，偏折角最大的颜色是：

A. 红光　　B. 黄光　　C. 绿光　　D. 紫光

第2题（考查色光三原色的加色混合）

红色光和蓝色光叠加在一起，混合后的颜色是：

A. 黄色　　B. 青色　　C. 品红色　　D. 绿色

第3题（考查透明物体的呈色原理）

一块红色玻璃放在绿色光源前，透过玻璃看到的颜色是：

A. 红色　　B. 绿色　　C. 黄色　　D. 黑色（几乎不透光）

第4题（考查颜料三原色的减色混合）

黄色颜料和青色颜料混合后，得到的颜色是：

A. 红色　　B. 绿色　　C. 蓝色　　D. 黑色

计算题

第5题（考查光的频率与波长的关系）

已知光在真空中的传播速度为 $c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}$。

（1）蓝光的波长约为 $470\ \text{nm}$（$1\ \text{nm} = 10^{-9}\ \text{m}$），求蓝光的频率。

（2）某单色光的频率为 $5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$，求该光的波长，并判断它属于哪种颜色的可见光。

第6题（考查色光混合与物体颜色的综合应用）

舞台上有一盏灯，发出白光。灯前安装了两块滤光片：第一块为品红色滤光片，第二块为黄色滤光片，光依次通过两块滤光片后照射到演员的白色服装上。

（1）白光通过品红色滤光片后，剩余哪些颜色的光？

（2）剩余的光再通过黄色滤光片后，最终透出哪种颜色的光？

（3）演员白色服装在这束光的照射下，看起来是什么颜色？

蓝光的频率约为 $6.38 \times 10^{14}\ \text{Hz}$。

（2）已知频率，求波长：

$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8\ \text{m/s}}{5 \times 10^{14}\ \text{Hz}} = 6 \times 10^{-7}\ \text{m} = 600\ \text{nm}$

波长为 $600\ \text{nm}$，对照可见光波长范围表，$590 \sim 620\ \text{nm}$ 对应橙色，因此该光为橙色光。