楊嘉航 裴 熙 蔡少玲 李秀燕

(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福建 漳州 363000)

《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中在對(duì)實(shí)驗(yàn)室課程資源的開(kāi)發(fā)中提出：“提倡師生利用身邊物品、器具、材料等自主開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)器材”.鼓勵(lì)教師在進(jìn)行物理相關(guān)知識(shí)研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)原有教具的不足和局限，設(shè)計(jì)出符合初中生心理和認(rèn)知特點(diǎn)的演示器材，使教具更加多元化.

光現(xiàn)象是自然界中最基本的物理現(xiàn)象，也是整個(gè)物理教學(xué)體系中不可或缺的一部分.初中物理人教版教材有關(guān)于“三原色合成”的實(shí)驗(yàn)是在八年級(jí)上冊(cè)第四章第5節(jié)“色光的混合”[1].該實(shí)驗(yàn)雖然在光學(xué)中不是重點(diǎn)的考查內(nèi)容，但是色光混合的原理在日常生活中的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，例如霓虹燈、彩色電視機(jī)、電子顯示屏等彩色顯示產(chǎn)品.而目前在光學(xué)教學(xué)中，用于演示三原色光合成的教具并不多，且多數(shù)還只停留在演示兩色光等量混合和三色光等量混合，使得教師在講解三原色合成光的原理時(shí)，演示效果比較單一，學(xué)生并不能真正有效地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后色光的混合規(guī)律.

1 現(xiàn)有色光合成的演示教具

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有色光合成的演示教具大致可分為4類(lèi)：第一類(lèi)是根據(jù)“感覺(jué)后效”的原理，通過(guò)迅速旋轉(zhuǎn)七色圓形紙板，讓學(xué)生感受到這幾種色光是白光的組成部分[2]，該實(shí)驗(yàn)教具雖制作簡(jiǎn)單，取材容易，成本低，但演示的并非是色光的直接混合，不利于學(xué)生真正理解三原色光的混合規(guī)律；第二類(lèi)是將紅、綠、藍(lán)三色光通過(guò)普通幻機(jī)投影到幕布上[3]，觀察三原色原理，該操作雖簡(jiǎn)單，但會(huì)受到環(huán)境散光的影響；第三類(lèi)是采用白光光源和紅、綠、藍(lán)三色濾光片各一個(gè)，通過(guò)組合演示光的三原色原理[4-5]，雖然現(xiàn)象明顯，但所采用的光學(xué)元件多，顯示區(qū)域過(guò)小，學(xué)生觀察起來(lái)也會(huì)比較困難；第四類(lèi)是通過(guò)調(diào)制單片機(jī)輸出脈沖的占空比來(lái)控制紅、藍(lán)、綠三色光的輸出亮度，從而展示三原色疊加的過(guò)程[6]，該法雖能形象說(shuō)明光的三原色原理，但不利于激發(fā)學(xué)生的探索欲望.鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易、直觀、可以將紅、綠、藍(lán)3種色光以不同比例混合的三原色合成演示教具.

2 自制“三原色光合成”演示教具

2.1 制作原理

本教具采用220 V市電，經(jīng)12 V電源適配器轉(zhuǎn)換后進(jìn)行供電.裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.整體為封閉的箱型結(jié)構(gòu)，由燈帶光源、亞克力板及外殼共同來(lái)完成色光的混合.其中，①為置于箱體前端的白色亞克力板，作為觀察色光混合規(guī)律的顯示屏；②為置于箱體背板的藍(lán)、綠、紅3條發(fā)光燈帶，作為色光光源；③為置于箱體側(cè)板的藍(lán)、綠、紅3光帶對(duì)應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)電位器，可改變對(duì)應(yīng)燈帶的明暗程度，得到不同比例的色光；④為置于箱體側(cè)板的藍(lán)、綠、紅3光帶對(duì)應(yīng)的船型開(kāi)關(guān)，用于控制對(duì)應(yīng)燈帶的開(kāi)關(guān).而調(diào)節(jié)燈帶明暗的電位器的控制電路如圖2所示.開(kāi)啟紅、綠、藍(lán)三色的控制開(kāi)關(guān)后可完成兩原色等量混合和三原色等量混合，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)電位器可實(shí)現(xiàn)色光的不同比例混合.

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電位器控制電路

2.2 制作材料

白色方形亞克力板1塊(110 mm×105 mm)，洞洞板1塊(100 mm×70 mm)，紅，綠、藍(lán)發(fā)光燈帶各1條(三原色)，船型開(kāi)關(guān)3個(gè)，亮度調(diào)節(jié)電位器3個(gè)，泡沫板、直針座與公頭端和絕緣膠若干.

2.3 制作過(guò)程

2.3.1 焊接元件

分別將帶線的公頭端與電源插孔、3個(gè)船型開(kāi)關(guān)、3個(gè)電位器以及3條LED燈帶(紅、藍(lán)、綠)進(jìn)行焊接.在焊接口采用絕緣膠進(jìn)行保護(hù)，如圖3所示.

圖3 各類(lèi)元件圖

2.3.2 連接電路

將洞洞板作為主控制板，如圖4所示.首先將一個(gè)直針座插入洞洞板中，再將電源插孔的公頭端子接到控制板的接口①上，之后可以通過(guò)12 V/1 A的適配器接到電源插孔上，對(duì)整個(gè)教具進(jìn)行供電.將3個(gè)船型開(kāi)關(guān)的公頭端子分別接到控制板的接口②上；將3個(gè)電位器的公頭端子分別接到控制板的接口③上；將紅色、綠色、藍(lán)色LED燈帶的公頭端子分別接到控制板的接口④上.最后將直針座背后的彎針焊接起來(lái)，打上絕緣膠保護(hù)，背部如圖5所示.

圖4 控制板引腳分布圖

圖5 控制板背部示意圖

2.3.3 組裝教具

電路連接完成后，先將控制板用透明膠帶固定于箱體內(nèi)側(cè)壁上.再將如圖6所示的紅、綠、藍(lán)3條LED燈帶貼于燈帶背板上.最后，利用專(zhuān)門(mén)的膠水將亞克力板和泡沫板進(jìn)行拼接，組裝后裝置如圖7所示.

圖6 LED燈帶背板圖

圖7 裝置外觀示意圖

2.4 使用過(guò)程

2.4.1 單色光顯示

接通電源，分別打開(kāi)紅光、綠光、藍(lán)光的控制開(kāi)關(guān)，則可在白色亞克力板上依次呈現(xiàn)如圖8所示的紅色、綠色、藍(lán)色的色光.

(a)紅色 (b)綠色 (c)藍(lán)色

2.4.2 雙原色等量混合

關(guān)閉所有控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)同時(shí)打開(kāi)紅光和綠光的控制開(kāi)關(guān)時(shí)，則呈現(xiàn)圖9(a)所示黃色；若同時(shí)打開(kāi)紅光和藍(lán)光的控制開(kāi)關(guān)，則呈現(xiàn)圖9(b)所示紫色；而若同時(shí)打開(kāi)綠光和藍(lán)光的控制開(kāi)關(guān)，則呈現(xiàn)圖9(c)所示青色.這就是兩原色的等量混合效果展示.

(a)黃色 (b)紫色 (c)青色

2.4.3 三原色等量混合

若同時(shí)打開(kāi)紅光、綠光和藍(lán)光的控制開(kāi)關(guān)，進(jìn)行三原色的等量混合，此時(shí)三原色完全重疊，在白色亞克力板上呈現(xiàn)白光，效果如圖10所示.

圖10 三原色等量混合效果圖

2.4.4 不同比例色光的混合

利用不同光帶所對(duì)應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)電位器，可實(shí)現(xiàn)雙原色的非等量混合.例如同時(shí)打開(kāi)紅光和藍(lán)光的控制開(kāi)關(guān)，分別轉(zhuǎn)動(dòng)紅光以及藍(lán)光對(duì)應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)電位器，將在白色亞克力板上觀察到合成后光的明暗程度以及色彩的變化，效果如圖11所示.

(a)紫色 (b)紅紫色 (c)洋紅色

2.5 教具特點(diǎn)

2.5.1 功能齊全，操作方便

現(xiàn)階段許多教具只能機(jī)械地展示兩原色等量混合以及三原色等量混合.而本教具在實(shí)現(xiàn)以上兩種功能的基礎(chǔ)上，還可以展示兩原色以及三原色的非等量混合，因此，學(xué)生就可以觀察到多種多樣的色光組合.再者，教師操作起來(lái)簡(jiǎn)單，只需打開(kāi)不同光源的控制開(kāi)關(guān)并調(diào)節(jié)相應(yīng)的亮度電位調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)不同色光的混合，無(wú)須再使用其他教學(xué)用具.

2.5.2 取材容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

所需的元件以及材料都是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或者日常生活中常見(jiàn)的物品.本教具的外部結(jié)構(gòu)是一個(gè)長(zhǎng)方體形狀，不僅輕巧方便，便于攜帶，而且將3種色光放在封閉的箱子內(nèi)可以避免自然光的干擾.內(nèi)部電路設(shè)計(jì)巧妙，利用洞洞板作為主控制板，將各條電路逐一進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能.

2.5.3 效果明顯，使用安全

將白色亞克力板放置在燈帶背板正面前方6～8 cm處，利用白色亞克力板展示三原色的混合，效果清晰直觀.傳統(tǒng)的三色光源是采用白熾鎢燈泡加上紅、綠、藍(lán)三原色濾光片，而現(xiàn)階段許多教具是采用紅、綠、藍(lán)3種高亮LED作為光源，但是實(shí)踐證明，采用發(fā)光燈帶提供光源，相比于使用二極管提供的光源更明顯，效果更好.再者，本裝置采用220 V市電，經(jīng)12 V電源適配器轉(zhuǎn)換后即進(jìn)行供電，使用安全.

3 總結(jié)

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧教授曾說(shuō)過(guò)：“自制的儀器永遠(yuǎn)比買(mǎi)來(lái)的好”.本研究針對(duì)八年級(jí)上冊(cè)物理教材第四章第5節(jié)中“色光的混合”這一小節(jié)的內(nèi)容設(shè)計(jì)了制作工藝更為簡(jiǎn)單、使用操作更為方便、演示效果更加明顯、可以將紅、綠、藍(lán)3種色光以不同比例混合的三原色合成演示教具.通過(guò)教師在課堂中的演示示范，學(xué)生不僅可以直觀地觀察到兩原色等量混合以及三原色等量混合的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以根據(jù)實(shí)際的需要感受色光的非等量混合，加深學(xué)生對(duì)于色光合成規(guī)律的理解，激發(fā)學(xué)生想要繼續(xù)學(xué)習(xí)探索的欲望.