我國初中民教版物理教材中關于光的部分有這樣的討論：“紅、綠、藍光按不同比例混合后，可以產(chǎn)生各種顏色的光。 ” 這顯然是錯誤的說法，將視覺三基色（生理效應）與光的物理色散混淆了。
作者：楊大衛(wèi)（河北師范大學）
在“國家中小學智慧教育平臺”播放的《課程教學》中，初中八年級物理（民教版第一卷）第四章第五節(jié)《光的色散》 ”，老師在總結課堂時說：“各種色光是由紅、綠、藍三基色按一定比例混合而成的。 （本課視頻總時長為24分52秒，這句話從23分43秒出現(xiàn)到23分53秒。）
這種說法源于初中物理課本中的敘述：“紅、綠、藍三種光按不同比例混合后可以產(chǎn)生各種顏色的光”。 （以上平臺參見《教材》物理人民教育版8.1年級圖1）
這句話應該更正為：“紅、綠、藍三種顏色按不同比例混合后，可以產(chǎn)生各種顏色光的視覺效果。”
為了說明這種修正，我們可以通過實驗驗證和視覺生理分析來進行。
圖1
不過，為了讓教材編者更容易接受這一修正，我們可以先將同一教材中的“光與視覺”與“聲音與聽覺”進行比較，做一些準備。
聲音可以傳遞信息和能量，光也可以傳遞信息和能量。 人民教育出版社初中教材第二章強調“聲音既能傳遞信息，又能傳遞能量”，還介紹了聽覺器官的結構和工作原理。 然而，第四章并沒有提到光也可以傳輸信息和能量。 討論視覺器官的工作原理。 這不僅不相互呼應，也不符合新課標信息與能源的學習要求。
初中生都知道，人依靠聽覺器官接收可聽波，依靠視覺器官接收可見光。 聲音在響度和音高方面存在差異。 響度由振幅決定，音調由頻率決定。
同樣，可見光也有亮度和亮度的差異，以及顏色的差異。 亮度也由振幅決定，顏色也由頻率決定（表1）。
表格1
我們的聽覺可以識別可聽波的響度和可聽波的音高。 同樣，我們的視覺可以察覺可見光亮度的明暗差異，以及可見光顏色的差異。
在視覺和聽覺類比的基礎上，我們將通過實驗來找出這兩個器官功能的差異。
【實驗一】兩個不同固有頻率的音叉混響的聽覺效果不會與任何單個其他固有頻率的音叉的聽覺效果相同。
比如貝斯
和高音
，其頻率分別為220Hz和880Hz，但不會被合成為頻率為440Hz的中音6。 也就是說，雖然他們的點名都是“啦”，但低音卻是啦（
) 和高音 la (
）不僅不會被合成到中音la（6）中，而且兩者也不會同時被我們的耳朵接收到并感知為中音la（6）。 聽上去還是可以看出是兩者的復合音。
結論：聲波符合波傳播獨立性原理。
【實驗二】紅綠光混合得到的視覺效果可以與單色黃光的視覺效果相同。 看起來紅光和綠光結合起來就形成了“黃光”。 光波不符合波傳播獨立原理嗎？
【實驗三】紅光和綠光混合照射形成的所謂“復合光”，仍然可以通過棱鏡分解還原成紅光和綠光，其中根本沒有黃光的痕跡; 而單色黃光無論如何也不會分解成紅光和綠光。
結論：光波也符合波傳播獨立性原理。
實驗證明，無論是人民教育出版社初中物理課本上寫的“紅、綠、藍光按不同比例混合后可以產(chǎn)生各種顏色的光”，還是書中所說的上面視頻課上說“各種顏色的光是由這三種顏色的光按一定比例混合而成的。”這兩種說法都是錯誤的。
所以有什么問題？ 很明顯，紅光和綠光混合產(chǎn)生了“黃光”。 難道不是眼見為實嗎？ 是的初中物理振幅，眼見不一定為實！ 問題是視覺上的。 紅光和綠光混合照射產(chǎn)生的視覺效果是一種生理效果，而不是真正的物理效果。
讓我們了解視覺器官的生理結構及其工作原理。
圖2 人眼垂直剖面的水平光路圖
視覺器官感受亮度的功能稱為視覺器官的光感，辨別顏色的功能稱為視覺器官的色覺。 光感和色覺是由視覺器官中兩個獨立的系統(tǒng)執(zhí)行的。 色盲患者盡管色覺不完整，但仍具有正常的光感，這一事實說明了這一點。 聽覺器官通過同一系統(tǒng)感知聲音強度并區(qū)分音調。
光傳感功能是由暗視系統(tǒng)完成的，它利用視網(wǎng)膜中的桿狀視神經(jīng)細胞作為接收器（對505~510 nm的光最敏感）。 在低照度條件下，只有桿狀細胞才能被可見光輻射觸發(fā)而產(chǎn)生對比度。 明暗視力的程度； 在強光下，視桿細胞的敏感性會大大降低，所以主要在弱光下工作。
圖3 視網(wǎng)膜的結構以及視網(wǎng)膜中的視桿細胞和視錐細胞
色覺功能是由明視覺系統(tǒng)完成的，它以視網(wǎng)膜內的錐形視神經(jīng)細胞為接收器（綜合反應對550~555 nm的光最敏感），主要在較強的??光線下工作。 視錐細胞分為三種類型：L、M 和 S，分別對波長為 664、534 和 420 nm 的光最敏感（大約對應于紅色、綠色和藍紫色，圖 4）。
圖4 三種視錐細胞的個體反應和綜合反應
這三種響應并不完全涵蓋對紅色（625~740 nm）、綠色（500~565 nm）和藍色（440~485 nm）的響應，但可以分別響應三基色（紅、綠、藍） 。 每種光都會產(chǎn)生不同強度的響應。 如果L細胞的刺激略大于M細胞初中物理振幅，則人的感知是黃色的； 如果L細胞的刺激遠大于M細胞的刺激，人的感知就是紅色。 將三基色光按不同比例組合后，人眼可形成相當于該復合光對應的單一頻率可見光的色覺。 例如，紅光和綠光按一定比例復合，刺激三種視錐細胞產(chǎn)生的綜合色覺可相當于視網(wǎng)膜對純黃光的色覺。
因此，混合紅光和綠光不能產(chǎn)生另一種頻率的新光——黃光。 兩者混合光波中的紅光和綠光仍然單獨存在，但它們的色覺與黃光相同。 即紅綠混合光對視錐細胞的刺激反映在大腦中，與黃光對視錐細胞的刺激是一樣的。
因此，紅、綠、藍光以不同比例混合并不會產(chǎn)生各種顏色的光，而只是產(chǎn)生與某種光顏色相對應的視覺效果。 ”也就是說，所謂的色光“合成”并不是物理效應，它只是光頻率的生理效應。
進一步揭示其本質，聽覺之所以不能產(chǎn)生類似的效果（兩個音叉在不同頻率下混響的聽覺效果不會與一個音叉單獨發(fā)聲的其他頻率的聽覺效果相同），不僅是由于聽覺傳感器和視覺傳感器的結構有所不同，但這是由于兩者的工作原理不同造成的。 后者是復雜的光化學原理，而前者只是簡單的機械原理。 因此，不會出現(xiàn)“三基色”那樣的“三基色”。
那么所謂的光化學原理是什么呢？
桿狀細胞對光和暗（黑色和白色）高度敏感。 光首先穿過神經(jīng)接頭的外層，然后到達這些受體中的色素物質。 視桿細胞中有一種叫做視紫紅質的色素（它的顏色看起來是紫色的）。 這種色素是一種復雜的蛋白質，分子量約為40,000 amu。 其吸收曲線如圖5所示。分子在柱狀細胞內分層排列，厚約20 nm，寬約500 nm，重量可達細胞凈重的35%。 在光輻射的影響下，它的一小部分會脫落。 這小片發(fā)色團是維生素A的衍生物，稱為視黃醛，分子量為286 amu。 其雙鍵之一將在 1 皮秒（10-12 秒）內吸收光子，并從彎曲構型轉變?yōu)榇┩笜嬓停▓D 6）。
圖5 桿細胞響應曲線
圖6 視桿細胞中視網(wǎng)膜吸收波長約500 nm的光子后分子構型的變化
其余部分是一種無色蛋白質，稱為視蛋白。 在視紫紅質分子分裂的某個階段，會發(fā)生短暫的視覺刺激。 該反應導致受體細胞膜對鈉離子的滲透性發(fā)生變化，進而導致細胞電位的變化。 這種電勢的變化通過神經(jīng)細胞傳播到大腦。 此后，視紫紅質分子緩慢再生。
視錐細胞可能通過類似的機制做出反應。 在視錐細胞中發(fā)現(xiàn)了一種稱為類視黃醇的色素。 這種色素包含三種類型的視網(wǎng)膜基團，每種基團具有不同的光譜靈敏度特征（圖 4）。 為了進行比較，也將視錐細胞的綜合敏感性曲線繪制在一起。
在強光下，視桿細胞中的大部分視紫紅質分裂成視蛋白和視網(wǎng)膜，從而大大降低了它們的敏感性。 雖然視錐細胞的敏感度僅為視桿細胞最大敏感度的 1% 左右，但色覺主要由視錐細胞提供。 三種類型的視錐細胞的聯(lián)合作用產(chǎn)生色覺。 在低照度條件下，只有桿狀細胞才能被可見光觸發(fā)，產(chǎn)生明暗（黑白）視覺。 視桿細胞和視錐細胞的積分靈敏度曲線不同（圖5和圖4），前者的峰值約為505 nm至510 nm，后者的峰值約為550 nm至555 nm。
當然，上述光化學反應產(chǎn)生的電信號必須通過視神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X。
綜上所述，通過波傳播獨立原理、視覺器官的生理機制及其光化學性質的實驗，表明各種顏色的光實際上并不是由光的三基色合成的，視覺效果不能代表物理本質。
本文經(jīng)微信公眾號《現(xiàn)代物理知識雜志》授權轉載，選自《現(xiàn)代物理知識》2023年第1期，編輯：YWA。
