林　珊，李俊慶，趙海發(fā)

(哈爾濱工業(yè)大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

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大學文科物理實驗探索與實踐——電光源特性研究

林珊，李俊慶，趙海發(fā)

(哈爾濱工業(yè)大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對“光環(huán)境污染”和“學習光源的合理選擇”等問題新開設了大學文科物理實驗“電光源的光譜與頻閃特性研究”. 具體介紹了實驗的設計理念、主要研究內(nèi)容及實驗結果. 結合教學經(jīng)驗，指出貼近生活的研究對象、簡單的實驗操作、更具趣味性和直觀性的實驗結果、以及高科技手段輔助等，這些措施可以在文科物理實驗教學中達到滿意的教學效果.

關鍵詞：文科物理實驗；電光源；光譜；頻閃；波動深度

1引言

環(huán)境污染(包括光環(huán)境污染)是我國近年來隨著經(jīng)濟高速發(fā)展而出現(xiàn)的亟待解決的問題[6-7]. 比如：節(jié)能燈、LED等已經(jīng)取代常規(guī)白熾燈，那么與前者相比，這些光源對人眼就一定是健康的嗎？如何合理選擇照明光源是無法回避的現(xiàn)實問題，而文科學生對此普遍有更多的關注. 針對這一特點，開設了“電光源的光譜與頻閃特性研究”實驗，旨在引導學生學會評價及選擇不同光源，避免光污染，同時糾正學生長期以來的一些錯誤認識. 在實驗設計中，遵循“趣味直觀、操作簡單、深入淺出、結合生活與高科技”的設計理念，力求實驗內(nèi)容貼近生活，實驗生動、有趣，所得到的實驗結果能啟發(fā)學生對生活中的常見現(xiàn)象進行思考. 本文以具體實驗內(nèi)容為主線，結合教學經(jīng)驗，闡述如何實現(xiàn)這一設計理念，從而達到滿意的教學效果.

2研究對象要貼近生活

文科生通常對實驗中科學研究客體的感覺是陌生的、深奧而又神秘的，甚至有距離感，實驗課上其心里有抵觸和畏懼情緒實屬正常. 本實驗則提供了市面上幾類常見的可發(fā)“白光”的電光源作為研究對象，包括白熾燈、護眼燈(日光燈)、家用節(jié)能燈(緊湊型熒光燈)、手電筒(LED燈)和低壓汞燈，這樣使得學生在實驗時會對這些貼近生活的研究對象不再陌生，會感到很親切，自然也就不再有畏難甚至抵觸情緒了.

3實驗內(nèi)容要設計得更具趣味性而實驗結果要更具直觀性

3.1　光譜展示與研究

電光源從傳統(tǒng)的白熾燈、日光燈，發(fā)展到目前的LED燈、節(jié)能燈(緊湊型熒光燈)、護眼燈等. 那么，這些高新科技產(chǎn)品的特點是什么？如何選擇學習用的照明光源？接觸到的光源是否環(huán)保？是否有利于身體健康？通過該實驗學生就可以回答這些與生活息息相關的問題，這既能引起文科學生的學習興趣，又能使學生學以致用，應用這些常識使其在生活中受益.

僅憑肉眼，學生們只能感覺到光源的亮度和色調(diào)的不同，而利用三棱鏡和分光計，通過折射對復光分解，學生們可觀測到不同光源呈現(xiàn)的不同彩色譜線——光譜. 圖1給出了實驗中學生觀測到的幾種常見發(fā)白光的光源光譜. 實驗中看到的奇幻的、色彩斑斕的、猶如“彩虹”的實驗現(xiàn)象，不僅引起了文科學生的濃厚學習興趣，輕而易舉地揭開了這些高科技光源的神秘面紗，也形象生動地印證了雖然幾種光源都是發(fā)白光的，但所謂的白光其實是復合光，是由多種顏色的可見光按一定的強度和比例混合成，由于發(fā)光機制不同，光譜線(或譜帶)的顏色和條數(shù)也不盡相同，學生看到：

圖1　用三棱鏡分光后拍攝的各種白光光譜

1)白熾燈光譜在可見光的范圍內(nèi)是連續(xù)譜，顏色是七色，屬于熱致發(fā)光，此類光譜還有太陽光、燭光燈.

2)白光LED其譜為分立窄譜帶，譜帶只有紅、綠和藍三基色，屬于固體發(fā)光.

3)日光燈、節(jié)能燈和低壓汞燈屬于氣體放電發(fā)光，由于內(nèi)部封裝了汞蒸氣，光譜含有分立譜線. 日光燈和節(jié)能燈分別采用鹵磷酸鈣熒光粉發(fā)光和稀土三基色熒光粉發(fā)光，后者的發(fā)光效率更高，因此也更節(jié)能. 而由低壓汞燈的光譜可以明顯看到5條分立譜線，分別為黃、綠、青、藍和紫色，對應的是汞原子的特征譜線.

由圖3可見，RLS算法誤差收斂曲線在約20次后達到收斂，且收斂誤差<0.01數(shù)量級。對比兩種算法,可以看出RLS算法的收斂速度和收斂誤差明顯好于LMS算法。

通過光譜比較，學生們可從中體會到各種光源的異同點，了解其發(fā)光機制. 感興趣的學生還可以進一步了解其他相關實驗，如利用三基色LED燈進行色合成及匹配實驗等[8].

3.2　頻閃展示與研究

提到光源“頻閃”學生們可能覺得抽象、陌生，但如果讓他們利用手機里的照相或攝像模式對準電腦顯示器、臺燈或電視屏幕觀察，學生們會驚訝地發(fā)現(xiàn)這些點亮的光源是閃爍的. 接下來學生們就會提出一系列問題：為什么光源會閃爍？為什么肉眼察覺不到？頻閃現(xiàn)象對生活有什么影響？如何利用或者避免頻閃現(xiàn)象？

為了深刻體會頻閃的含義，專門設計了用黑匣子觀測臨界閃爍頻率的實驗. 用信號發(fā)生器驅(qū)動黑匣子里1盞LED燈發(fā)光，當頻率很低時，可輕易地分辨出光源一亮一暗明顯閃爍；當頻率增加時，光源由粗閃變?yōu)榧氶W，當頻率繼續(xù)增大到某一數(shù)值，由于人眼的視覺暫留特性，學生感受到的不再是閃爍光，而是連續(xù)的光，這時對應的頻率即為臨界閃爍頻率. 如果提高背景光(點亮黑匣子里另一盞LED燈)，會發(fā)現(xiàn)臨界閃爍頻率減小. 這是因為臨界閃爍頻率也與一些因素(如光源照射強度、背景光顏色強度、觀察者身體因素等)有關，其理論參考值為45.8 Hz.

通過以上簡單實驗，學生們就會明白普通日光燈是以頻率50 Hz(1 s變化50次)、電壓220 V的正弦交流電為電源，其閃爍頻率是100 Hz的道理；也知道了正因為視覺暫留效應，電影(24幀/s和24次/s遮擋，傳送頻率為48 Hz)和電視(25幀/s，采用隔行掃描，傳送頻率為50 Hz)，這些閃爍播放的圖像看起來是連續(xù)的原因.

3.3　波動深度的研究

文科學生特別關心眼睛疲勞和對電光源的選擇標準. 學生們常有這樣的體會：在寬敞明亮的自習室通常比寢室內(nèi)臺燈下看書學習眼睛要舒服不易疲勞. 面對市面上林林總總的打著高科技旗號的臺燈產(chǎn)品，如何判斷和選擇這些產(chǎn)品呢？

其實，最理想的光線是變化極其緩慢的自然光. 對于穩(wěn)定的照明光線，眼睛的瞳孔調(diào)節(jié)相對固定，調(diào)節(jié)量很小，不容易引起眼部光學系統(tǒng)損傷和視覺疲勞；對于不穩(wěn)定的光線，學習時眼睛的瞳孔需要頻繁調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量大，容易引起眼部光學系統(tǒng)損傷和視覺疲勞[9].

為讓學生知道光源的好壞不僅是由平均的發(fā)光強度來判斷的，更嚴格來講，應由波動深度來判斷，波動深度可表示光源閃爍的程度，那么何謂波動深度呢？需要學生理解其定義及內(nèi)涵，要學生知道其形式可表示為

(1)

其中:Imax為最亮時的光強，Imin為最暗時的光強[10]，H為明暗光強的變化占最大光強的百分比數(shù)，如圖2所示. 波動深度的測量可利用示波器實現(xiàn)[11]，如圖3所示. 希望學生知道頻閃的波動深度小于5% 的光源才被認為是理想的照明光源[12].

圖2　波動深度示意圖

圖3　波動深度測量裝置圖

為了更好地體會波動深度的意義及影響其變化的因素，專門設計了用LED燈模擬波動深度測量的實驗內(nèi)容，圖4展示了部分學生實驗觀測到的結果. 模擬黑匣子利用直流和交流信號源驅(qū)動2盞LED燈發(fā)光，可通過調(diào)節(jié)直流和交流信號幅值，模擬波動深度H為0%，50%和100% 3種情況. 可以看到，屏幕上方的直線(或曲線)為測量曲線，下方的直線為地線(即對應V=0 mV). 學生只需調(diào)節(jié)直流電壓大小和交流信號的幅值(VP-P)，即可體會到[13]：

1)光信號全部為直流成分則H=0%，光源強度無波動變化；當光信號全部為交流成分則H=100%，光源強度波動變化最大.

2)適當調(diào)節(jié)直流電壓和交流電壓可以達到H=50%.

可見所謂“不閃”即波動深度為零，指的是采用直流電壓供電；如果電壓中有交流成分，盡量減小交流信號的幅值，也可以達到降低波動深度的目的.

(a) H=0%

(b) H=100%

(c) H=50%圖4　觀測波動深度

利用圖3所示的實驗裝置，可以讓學生實際測量不同光源的波動深度. 圖5為白熾燈波動深度的測量結果. 計算可知白熾燈的波動深度約為30%.

圖5　觀測白熾燈的波動深度

需要注意的是，光源擺放位置、高度以及室內(nèi)背景光源都可能影響波動深度的測量結果. 通過示波器圖像，學生們可直觀看到肉眼看似穩(wěn)定的光源其實是周期性明暗變化的. 實際生活中，可以通過提高背景光的亮度，來達到降低波動深度的目的.

4實驗儀器要操作簡單

該實驗涉及到的基本實驗儀器是分光計和示波器. 以前針對分光計開設了“分光計的調(diào)節(jié)和三棱鏡頂角測定實驗”，但學生們普遍反映實驗儀器調(diào)節(jié)枯燥、繁瑣、難度大，調(diào)節(jié)部分占去了大半時間，沖淡了儀器使用部分的內(nèi)容，喧賓奪主，導致實驗內(nèi)容枯燥乏味，而實驗結束后學生很難對儀器使用留下深刻印象. 針對這種情況，該實驗對分光計只做簡單的調(diào)節(jié)要求，上課前由教師大致調(diào)好，課上學生只需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺和望遠鏡位置即可觀察到彩色譜線.

為了使頻閃和波動深度的觀測簡單，自制了黑匣子，其頂蓋可抽拉模擬暗室避免室內(nèi)光源干擾，側面留有視窗，以便學生直接體驗波動的影響. 黑匣子如圖6所示，其內(nèi)部主要包括2個LED光源和光信號探測元件硅光電池. 2盞LED燈，分別由外部直流電源和交流電源驅(qū)動，裝置可用來模擬頻閃和波動深度. 涉及學生調(diào)節(jié)的只有幾個旋鈕.

圖6　黑匣子外觀及內(nèi)部結構圖

這些簡化后的實驗操作，使文科學生更容易上手，增加了學生的成就感及實驗熱情，使學生的注意力集中在實驗的觀察和結果的分析上.

5要展示高科技手段輔助的實驗結果

為了使學生了解科學前沿，進一步增強實驗的科學性，我們演示了科研上利用便攜式微型光纖光譜儀測量出的上述光源頻譜，如圖7所示. 由于光譜儀采用分光元件為光柵，波長也經(jīng)過線性校準，譜線測量范圍寬，能更準確地反映光譜特性，因此，學生可以進一步在圖7中看到紫外和紅外區(qū)域的譜圖，而圖1只顯示了可見光的光譜. 例如：圖7中日光燈和汞燈的紫外區(qū)域譜線可準確辨識，而在圖1中卻不可分辨；圖7中白熾燈的紅外區(qū)域仍有光譜.

圖7　用便攜式光纖光譜儀直接測量的各種白光光譜

6要深入淺出地分析、理解與引申實驗結果

通過光譜實驗，增強了學生環(huán)保意識，生活中注意避免含汞燈泡的隨意丟棄；提高了學生自身防護的科學意識，盡量多曬太陽光，避免長期在譜線缺失的光源下學習，遠離紫外輻射這類“光污染”[5]；拉近了學生與高科技產(chǎn)品的距離，了解了生活中的一些科技詞匯，如“紅外理療”、“紫外滅菌”等.

啟發(fā)學生思考一些貼近生活的小實驗，例如：沒有三棱鏡，可用電腦光盤分光得到光源光譜；水滴滴在電腦顯示器上(或手機屏幕，或電視屏幕)，可以看到紅、綠、藍三基色，從而體會白光是復合光的道理.

通過頻閃實驗，啟發(fā)學生思考為什么高速行駛的車輪有時看起來不轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)；如果晃動鉛筆，在太陽光和日光燈下，看到的“虛影”有什么不同.

通過波動深度的研究，使學生了解人眼疲勞的來源，培養(yǎng)其個人用眼衛(wèi)生，保護視力.

7結束語

本實驗內(nèi)容豐富有趣，實驗儀器簡單易操作，實驗結果具體直觀，已在文科本科生中進行了一學期教學試點，達到了令人滿意的效果，使文科學生理解了所謂光源發(fā)白光的原理，及各種光源的發(fā)光特點；在學習生活中學會判斷及利用不同光源，避免光污染；糾正了學生長期以來的一些錯誤認識：諸如認為光源發(fā)光越白越亮越是好光源，白光源和太陽光一樣是連續(xù)譜，光源缺譜線對身體無害等；并且在實驗中掌握了分光計和示波器等基本實驗儀器的使用，提高了動手能力. 從不同的高科技產(chǎn)品光源的判斷、選擇，到個人用眼衛(wèi)生的培養(yǎng)；從增強環(huán)保意識到遠離光環(huán)境污染，這些知識的學習對學生都是大有益處的. 本實驗可供相關高校文科類物理實驗教學參考.

參考文獻：

[1]方興安,胡建華. 文科大學物理實驗開設的實踐與思考[J]. 物理實驗，2004，24(7):21-23.

[2]汪蘭，夏嫻，殷實. 在物理實驗教學中培養(yǎng)文科類人才的理性思維[J]. 物理與工程, 2007，17(1):49-50.

[3]王勇,盧佃清,王莉，等. 開設文科物理的實踐與探索[J]. 實驗室研究與探索, 2009,28(12):142-144.

[4]章羽,錢鋒,戴玉蓉. 文科物理實驗教學實踐探索[J]. 實驗技術與管理,2012,29(3):144-146.

[5]牟海維,金少先,王世英. 改革物理實驗教學提高學生綜合素質(zhì)[J]. 實驗室研究與探索,2000,19(4):14-16.

[6]梁紅山. 光污染對人體的危害及預防[J]. 勞動醫(yī)學,2001,18(4):243.

[7]王亞軍. 光污染及其防治[J]. 安全與環(huán)境學報, 2004,4(1):56-58.

[8]麻佳琪,張孟楊，楊胡江，等. 基于三基色LED的色匹配實驗[J]. 物理實驗,2014,34(4):42-48.

[9]余希湖,蔣涌潮. 光源閃爍對視覺影響的研究[J]. 照明工程學報,1996,7(2):22-26.

[10]曾麗梅,蘇昌林. 電光源頻閃測試技術研究[J]. 中國測試,2012,38(3):34-38.

[11]馬世紅,童培雄,趙在忠. 文科物理實驗[M]. 北京：高等教育出版社,2007.

[12]楊光. 學習照明的頻閃及其影響因素探討[J]. 中國照明電器,2011(3):17-22.

[13]楊光. 基于不同驅(qū)動條件下白光LED照明頻閃問題的研究[J]. 照明工程學報，2011,22(6):8-13.

[責任編輯：尹冬梅]

Exploration and practice of physics experiments for undergraduates of liberal arts: Study on electrical light sources

LIN Shan， LI Jun-qing， ZHAO Hai-fa

(Department of Physics， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001, China)

Abstract:We opened a physics experiment, study on the spectrum and strobe features of electrical light sources, for undergraduates of liberal arts, concerning the problems of visual pollution and quality assurance of light sources. The design ideas, experiments and results were introduced in detail. The exploration and practice of the first-year teaching showed that the positive effects on physics experiment for undergraduates of liberal arts originated from the objects in daily life, simple experiments, fun and intuitive results and high-tech assistance.

Key words:arts physics experiment; electrical light source; spectrum; strobe; fluctuation depth

中圖分類號：G642.423

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)01-0010-05

通信作者：李俊慶(1963-)，男，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱工業(yè)大學物理系教授，博士，從事物理光學及物理實驗教學與研究.

作者簡介：林珊(1978-)，女，吉林省吉林市人，哈爾濱工業(yè)大學物理系工程師，博士，從事凝聚態(tài)物理及物理實驗教學與研究.

收稿日期：2014-05-05；修改日期：2014-07-18

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

資助項目：黑龍江省高等教育教學改革項目(No.JG2012010151); “985工程”哈爾濱工業(yè)大學本科生2014教學改革建設項目(No.HITBKJG2014-phys);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資助(No.HIT.NSRIT.2013084)