汪克凡

摘 要：本文根據(jù)現(xiàn)有初中物理光合成實(shí)驗(yàn)演示裝置存在的不足，通過(guò)分析、比較，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與信息化技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出能夠定量研究光的顏色、強(qiáng)度與光合成效果關(guān)系的數(shù)字化色光合成演示儀。

關(guān)鍵詞：三色光；發(fā)光二極管；單片機(jī)；VB控件；模擬顯示

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0017-2

1 問(wèn)題的提出

初中物理教材中所展示的三原色光合成實(shí)驗(yàn)，其裝置主要如圖1所示。該裝置最主要的局限性在于，只能進(jìn)行結(jié)果單一的三色光或二色光的合成，無(wú)法滿(mǎn)足教師和學(xué)生進(jìn)一步研究的好奇心，例如用三原色合成黃色、紫色、橙色。那么，能不能設(shè)計(jì)一種通過(guò)定量改變RGB，合成特定顏色的數(shù)字化色光實(shí)驗(yàn)儀呢？筆者在以上思考的基礎(chǔ)上，提出了本文的研究目標(biāo)：（1）在個(gè)人電腦上通過(guò)程序窗口操作的方式可視化地進(jìn)行光的合成演示，并在程序窗口模擬顯示三色光合成效果；（2）把電腦合成的數(shù)字信號(hào)傳輸給外部硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)對(duì)三色燈的控制。

2 數(shù)字化色光合成演示儀具體操作

2.1 數(shù)字化色光合成演示儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字化色光合成演示儀的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。其主要包含三個(gè)重要組成部分：

（1）用VB編程，設(shè)計(jì)色光合成的演示面板，VB控件通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)與外部硬件的連接，通過(guò)控件窗口操作的方式可視化地進(jìn)行光的合成演示，并在窗口模擬顯示三色光合成效果；

（2）怎樣把電腦合成的數(shù)字信號(hào)傳輸給外部硬件設(shè)備，點(diǎn)亮三色燈，涉及單片機(jī)選擇及程序控制；

（3）色彩純凈的三色光源選擇。

2.2 VB編程，設(shè)計(jì)色光合成的演示面板

色光合成的演示面板如圖3所示，通過(guò)調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)三色滑塊，三個(gè)小方塊的顏色會(huì)產(chǎn)生變化，同時(shí)大方塊中顯示的合成后的顏色也在不斷變化，達(dá)到可視化效果。

2.3 數(shù)字化控制調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

（1）電腦信號(hào)輸出采取了現(xiàn)在較為常用的USB輸出。配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，利用USB將信號(hào)輸出到單片機(jī)，從而控制二極管的發(fā)光情況。

（2）如何通過(guò)USB傳出的數(shù)字信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光管是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)。通過(guò)查閱相關(guān)資料，了解到通過(guò)單片機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)。在初步了解單片機(jī)的原理的基礎(chǔ)上筆者設(shè)計(jì)了如下單片機(jī)連接圖（圖4）。單片機(jī)要能認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)傳出來(lái)的信號(hào)，還需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化編程，讓電腦信號(hào)和單片機(jī)對(duì)接。

2.4 三色光合成效果顯示

要能準(zhǔn)確合成色光，首先必須有良好的發(fā)光體。對(duì)于純凈強(qiáng)光的產(chǎn)生，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用的是通過(guò)透鏡匯聚強(qiáng)光，再利用濾色鏡片產(chǎn)生有色強(qiáng)光。筆者在實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)按照這種方法所產(chǎn)生的色光顏色有較大的偏差，效果不佳。在多次實(shí)驗(yàn)比較后，筆者選擇了大功率LED燈珠，其產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)色光較為純凈，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的要求。

將二極管放入一個(gè)黑色圓筒內(nèi)，并將筒口對(duì)準(zhǔn)白墻，打開(kāi)電源，白墻上即可顯示紅、綠、藍(lán)色光和混合光。通過(guò)調(diào)節(jié)電腦上的顏色，從而改變二極管的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)不同光強(qiáng)的色光混合。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)黑色圓筒比白色圓筒的實(shí)驗(yàn)效果要好。筆者認(rèn)為其原因在于，如果筒是白色光滑的，那么它發(fā)射的光就會(huì)對(duì)紙板上光的合成效果產(chǎn)生干擾，影響光的純度，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)效果。

3 小 結(jié)

通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，并將改進(jìn)后的裝置與傳統(tǒng)的三色光的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比，色光合成演示儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、數(shù)字化調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。不僅可作為光合成效果的教學(xué)演示儀器，還可以研究任意兩種單色光合成及三色光合成，同時(shí)可比較直觀地研究光的強(qiáng)度對(duì)光合成的影響，這是值得各位專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 趙保鋼）