第二章學生科學試驗製作與發明啟迪2
2.光的色散實驗的啟迪
我們生活的這個世界色彩斑斕，但五顏六色是從哪裏來的?自古以來人們就一直在思索這個問題。古希臘大學者亞裏士多德認為，各種不同的顏色是由於照射到物體上的亮光和暗光按不同比例混合所造成的。中世紀時，隨著顯微鏡的發明，掀起了一個“玩光”的熱潮。人們利用各種光學元件觀察五花八門的光學現象。你看，凸透鏡能將小字放大；凹透鏡能使大字縮小；三棱鏡更是好玩，一束太陽光經過它折射後，會形成一條色帶，按紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序排列。奇怪!白色的光通過三棱鏡後為什麼會變成七彩色帶了?英國年輕的科學家牛頓親手製作了兩個光學質量很好的三棱鏡，並設計了一個“判決性實驗”，來判定太陽光譜的形成原因。
光的自然色散
關於顏色，很早以前人們就已經發現並開始研究它了。古希臘的亞裏士多德認為它是人們的主觀感覺所造成的，所有顏色都是光明與黑暗、白與黑按比例混合的結果。17世紀前的歐洲，一直流行著這種看法。人們有了顏色的初步概念以後，又發現顏色不僅一種，不同的顏色引起人的視覺感應也不同。那個時期，人們對多種複雜顏色的最初感性認識是從虹開始的。在田間從事生產勞動的人們常常發現，每當雨過天晴的時候，在太陽和雲霧共存的天空中，背著太陽的雲氣中呈現出一道絢麗多彩的光環，這光環是由五種顏色組成的。這一美麗的自然景觀引起了人們的極大關注和興趣，人們開始研究這一有趣而又奇妙的現象。把這美麗多彩的光環叫做虹。
虹到底是什麼?它是怎樣形成的呢?勞動人民在長期的生產勞動中進行了大量的觀察研究，最後，人們發現，虹不是在任何時候，天空中的任何位置都能出現，它總是出現在和太陽相對方向的雲氣中，沒有雲就不會見到虹，在沒有太陽的陰沉天氣中也不會見到虹。這是人們早期對虹的出現條件，以及虹所出現的位置規律的初步認識和掌握。到了唐代，對虹這一自然現象的成因有了比較科學的解釋。人們通過對虹的觀察看到了五顏六色的現象，這是最早的顏色感觀。
中國古代勞動人民不僅大體上認識了虹的成因，而且在長期的生產實踐中，他們發現用實驗的方法能產生霓虹現象，這就是人工造虹。公元8世紀中葉，那時候民間有一位名叫張誌和的讀書人，他善於開動腦筋，遇事總要琢磨個究竟，對一切新奇的現象都很感興趣。最早一次人工造虹的成功是在一個大雨過後的晴朗的天氣中，他站在院中望著天邊的彩虹，他想，既然太陽照射雨滴就能產生虹，那麼用水滴代替雨滴也應該能產生相同的現象。他在這突發奇想的驅使下，進行了一個人工造虹的實驗。他對著陽光噴射水滴，起初，他迎著陽光做這種試驗，結果沒有發現產生光環。於是他調整自己的觀察角度，經過多次多角度的調整，最後發現，如果背著陽光噴水就能看到空氣中所出現的五顏六色的光環，當他看到這一和陽光照射雨滴後產生的光環一樣的景觀時，他高興極了，馬上回房提筆做了記錄，記下了這一景觀產生的過程。這是史料記載的我國古代勞動人民第一次用實驗的方法研究虹。
人們認識了虹的成因，又有了人工造虹的經驗，於是就把它推而廣之，當人們看到瀑布下泄水珠四濺，他們就仔細觀察，結果發現，瀑布下濺出的水滴經日光照射後，也能形成七彩的霓虹。唐代詩人張九齡《湖口望廬山瀑布》中就有“日照霓虹似”的詩句。這樣，人們就把日光照射雲氣中的水滴群，同飛泉周圍的水滴群所產生的色散現象聯係起來了。
除了對雨虹及其他色散現象的記述和模擬實驗外，人們還發現了晶體分光和羽毛的衍射色彩。公元684～706年，傳說安樂公主用百鳥的羽毛編織出兩條裙子，這種美麗的裙子從正麵看是一種顏色，從旁邊看又是一種顏色，在日光中看和在鏡子中看都能形成不同的顏色。這種用百鳥的羽毛編織出的美麗的裙子也是一種光的色散作用的應用。
到了宋代，人們就能對單個水滴的色散現象進行研究了。雨過天晴的時候，落在樹葉花草之上的露珠還沒有蒸發，在樹葉草木的末端水珠欲落未落都聚成圓形，晶瑩欲滴，非常惹人喜歡，經日照射後，便呈現五彩的霓虹，其顏色斑斕閃爍，用手擋住陽光，顏色便消失。人們通過長期觀察已經意識到，這些顏色不是水珠本身所具有，而是日光中含有多種顏色，經過水珠的作用可以顯示出來。可以說，宋代人們的觀察分析，已經接觸到了色散的本質問題。
除此之外，我國古代人民還發現了天然晶體的色散現象。他們發現，日光經過晶體折射後，光似琥珀，琥珀呈紅、黃、褐各種顏色。以上這些所有的色散現象都是自然界自身展示給人們的景觀，人們對色散現象的研究也隻停留在現象本身。在歐洲，有意識地研究色散現象是從16世紀開始的，人們借助於棱鏡這種光學儀器，開始進行了大量的色散實驗，以解釋色散現象的本質。在這大規模的色散現象的研究中，進行得最深入而且最早做出科學解釋的是牛頓。
與眾不同的牛頓
在物理學史中，最有名的所度之一便是公元1642年。這一年，意大利物理學家伽利略溘然長逝，而在英格蘭東部的一個小村落裏，伊薩克·牛頓呱呱降生。牛頓的誕生之日——12月25日，雖然恰好是聖誕節，可是英王查理一世與國會開仗的炮聲卻震撼著整個英倫三島，英國革命進入了國內戰爭的階段。
隨著資產階級登上曆史舞台和資本主義生產的興起，科學也以神奇的速度發展起來。17世紀初，望遠鏡、顯微鏡相繼發明，光學折射定律，人體血液循環的發現，都表明當時自然科學取得了新的進展。自然科學的力量開始受到重視，英國的哲學家弗蘭西斯·培根提出了“知識就是力量”這一名言。隨之而來的是在英國出現了有利的學術環境。熱心自然科學的人數迅速增加，學會、學院相繼成立。學會的問世及其科學刊物的發行，都成了當時科學家交流學術，啟發思想，共同提高的極好形式，有力地促進了當時自然科學的迅速發展。
牛頓正是處於這樣一個自然科學和學術環境發生重大變革的時代，他很快順應了時代的潮流，受到這個時期的各方麵熏陶，因而顯得與眾不同。
牛頓的父親是一個普通的並不富裕的農民，靠著祖傳下來的地產，以耕種謀生。婚後不久，他在一場急性肺炎的襲擊下於牛頓出生前便去世了，牛頓成了不足月的遺腹子。他是那樣的脆弱瘦小，他母親說，1誇特(約1升)的杯子就裝得下他。微微的氣息，嚶嚶的啼聲，牛頓的幼小生命是那麼弱不禁風，他的母親無論如何也想不到，就是這個可憐的孩子——伊薩克·牛頓竟活到85歲的高齡，而且是世界上與眾不同的出類拔萃的科學家。
牛頓在小學讀書時，他的資質一般，學習成績較差，常被列入劣等。但是與眾不同的是，他喜歡沉思默想，對許多事物都感到新鮮好奇，樂於去觀察體驗。有一天，牛頓突然注意到，早晨上學時，他自己的影子在左邊，晚上放學回家時，他的影子卻轉移到另一邊去了，太陽光下的人影會隨著時間的改變而移動，這可太有意思了。這一現象啟發了牛頓去做了一個日晷——一種利用測日影來確定時刻的器具。這個日晷的圓盤邊緣有刻度，中間豎一根小棍，從小棍的影子所指的刻度，就可以知道幾點幾分鍾。沉思默想的牛頓把這個日晷做好後，安放在村子中央，給村民們指示著時間。後來村民們懷著敬意稱它為“牛頓鍾”。
不僅如此，牛頓在小學的時候，還自己琢磨著造出一架“計時水鍾”。這是一個灌滿水的小木桶，木桶的底下有一個小孔，用塞子緊緊塞住，打開小孔的塞子，讓水一滴一滴地緩緩滴下。木桶裏的水麵逐漸下降，水麵的浮標也隨著慢慢下降，並帶著指針在均勻的刻度盤上一點點的移動，從而指示著各個時刻。當桶裏的水滴盡的時候，恰恰就是中午的時刻。牛頓創造的這個裝置雖然被看做是孩童的小玩意，但它卻體現了牛頓的好奇心和靈巧的製作。人們對小牛頓的善於開動腦筋的好奇心都稱讚不已。
牛頓在12歲那年，進了格蘭瑟姆中學。到中學後，牛頓依然保持自己的興趣不變，他繼續發展了對手工製作和機械方麵的愛好。他經常獨自一人鑽在自己的小屋子裏，製作各種各樣的小玩藝。最成功的製作是風箏，他給班級的同學每人做了一個風箏，他做的風箏，不僅外形美觀好看，而且在拉線的力點和尾巴的重量上都很有講究，因而他做的風箏起飛得特別快而且飛得也高。這體現了牛頓在力學方麵的天才素質。有一次，他把一隻紙燈籠點著火，係在他的風箏尾巴上，夜裏把它放到高高的天空，就好像一顆巨星升在空中。村民們競相觀看，都很驚奇和恐懼，他們認為這是一顆新出現的掃帚星。這時牛頓跑過來告訴他們，這不是什麼掃帚星，是他的風箏!人們才放下心來。當人們得知這是牛頓搞的名堂後，又禁不住交口稱讚這孩子的發明創造本領。