大學(xué)文科物理實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)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(xué) 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

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大學(xué)文科物理實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)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(xué) 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對(duì)“光環(huán)境污染”和“學(xué)習(xí)光源的合理選擇”等問(wèn)題新開(kāi)設(shè)了大學(xué)文科物理實(shí)驗(yàn)“電光源的光譜與頻閃特性研究”. 具體介紹了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念、主要研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，指出貼近生活的研究對(duì)象、簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作、更具趣味性和直觀性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、以及高科技手段輔助等，這些措施可以在文科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中達(dá)到滿意的教學(xué)效果.

關(guān)鍵詞：文科物理實(shí)驗(yàn)；電光源；光譜；頻閃；波動(dòng)深度

1引言

環(huán)境污染(包括光環(huán)境污染)是我國(guó)近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展而出現(xiàn)的亟待解決的問(wèn)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(duì)人眼就一定是健康的嗎？如何合理選擇照明光源是無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而文科學(xué)生對(duì)此普遍有更多的關(guān)注. 針對(duì)這一特點(diǎn)，開(kāi)設(shè)了“電光源的光譜與頻閃特性研究”實(shí)驗(yàn)，旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)及選擇不同光源，避免光污染，同時(shí)糾正學(xué)生長(zhǎng)期以來(lái)的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí). 在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，遵循“趣味直觀、操作簡(jiǎn)單、深入淺出、結(jié)合生活與高科技”的設(shè)計(jì)理念，力求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近生活，實(shí)驗(yàn)生動(dòng)、有趣，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能啟發(fā)學(xué)生對(duì)生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象進(jìn)行思考. 本文以具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主線，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，闡述如何實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)理念，從而達(dá)到滿意的教學(xué)效果.

2研究對(duì)象要貼近生活

文科生通常對(duì)實(shí)驗(yàn)中科學(xué)研究客體的感覺(jué)是陌生的、深?yuàn)W而又神秘的，甚至有距離感，實(shí)驗(yàn)課上其心里有抵觸和畏懼情緒實(shí)屬正常. 本實(shí)驗(yàn)則提供了市面上幾類常見(jiàn)的可發(fā)“白光”的電光源作為研究對(duì)象，包括白熾燈、護(hù)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(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)對(duì)這些貼近生活的研究對(duì)象不再陌生，會(huì)感到很親切，自然也就不再有畏難甚至抵觸情緒了.

3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要設(shè)計(jì)得更具趣味性而實(shí)驗(yàn)結(jié)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(hù)眼燈等. 那么，這些高新科技產(chǎn)品的特點(diǎn)是什么？如何選擇學(xué)習(xí)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(guò)該實(shí)驗(yàn)學(xué)生就可以回答這些與生活息息相關(guān)的問(wèn)題，這既能引起文科學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能使學(xué)生學(xué)以致用，應(yīng)用這些常識(shí)使其在生活中受益.

僅憑肉眼，學(xué)生們只能感覺(jué)到光源的亮度和色調(diào)的不同，而利用三棱鏡和分光計(jì)，通過(guò)折射對(duì)復(fù)光分解，學(xué)生們可觀測(cè)到不同光源呈現(xiàn)的不同彩色譜線——光譜. 圖1給出了實(shí)驗(yàn)中學(xué)生觀測(cè)到的幾種常見(jiàn)發(fā)白光的光源光譜. 實(shí)驗(yàn)中看到的奇幻的、色彩斑斕的、猶如“彩虹”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不僅引起了文科學(xué)生的濃厚學(xué)習(xí)興趣，輕而易舉地揭開(kāi)了這些高科技光源的神秘面紗，也形象生動(dòng)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(shí)是復(fù)合光，是由多種顏色的可見(jiàn)光按一定的強(qiáng)度和比例混合成，由于發(fā)光機(jī)制不同，光譜線(或譜帶)的顏色和條數(shù)也不盡相同，學(xué)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(jiàn)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(yáng)光、燭光燈.

2)白光LED其譜為分立窄譜帶，譜帶只有紅、綠和藍(lán)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(lán)和紫色，對(duì)應(yīng)的是汞原子的特征譜線.

由圖3可見(jiàn)，RLS算法誤差收斂曲線在約20次后達(dá)到收斂，且收斂誤差<0.01數(shù)量級(jí)。對(duì)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(guò)光譜比較，學(xué)生們可從中體會(huì)到各種光源的異同點(diǎn)，了解其發(fā)光機(jī)制. 感興趣的學(xué)生還可以進(jìn)一步了解其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如利用三基色LED燈進(jìn)行色合成及匹配實(shí)驗(yàn)等[8].

3.2　頻閃展示與研究

提到光源“頻閃”學(xué)生們可能覺(jué)得抽象、陌生，但如果讓他們利用手機(jī)里的照相或攝像模式對(duì)準(zhǔn)電腦顯示器、臺(tái)燈或電視屏幕觀察，學(xué)生們會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)亮的光源是閃爍的. 接下來(lái)學(xué)生們就會(huì)提出一系列問(wèn)題：為什么光源會(huì)閃爍？為什么肉眼察覺(jué)不到？頻閃現(xiàn)象對(duì)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(huì)頻閃的含義，專門設(shè)計(jì)了用黑匣子觀測(cè)臨界閃爍頻率的實(shí)驗(yàn). 用信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)黑匣子里1盞LED燈發(fā)光，當(dāng)頻率很低時(shí)，可輕易地分辨出光源一亮一暗明顯閃爍；當(dāng)頻率增加時(shí)，光源由粗閃變?yōu)榧?xì)閃，當(dāng)頻率繼續(xù)增大到某一數(shù)值，由于人眼的視覺(jué)暫留特性，學(xué)生感受到的不再是閃爍光，而是連續(xù)的光，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為臨界閃爍頻率. 如果提高背景光(點(diǎn)亮黑匣子里另一盞LED燈)，會(huì)發(fā)現(xiàn)臨界閃爍頻率減小. 這是因?yàn)榕R界閃爍頻率也與一些因素(如光源照射強(qiáng)度、背景光顏色強(qiáng)度、觀察者身體因素等)有關(guān)，其理論參考值為45.8 Hz.

通過(guò)以上簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們就會(huì)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?yàn)橐曈X(jué)暫留效應(yīng)，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(lái)是連續(xù)的原因.

3.3　波動(dòng)深度的研究

文科學(xué)生特別關(guān)心眼睛疲勞和對(duì)電光源的選擇標(biāo)準(zhǔn). 學(xué)生們常有這樣的體會(huì)：在寬敞明亮的自習(xí)室通常比寢室內(nèi)臺(tái)燈下看書(shū)學(xué)習(xí)眼睛要舒服不易疲勞. 面對(duì)市面上林林總總的打著高科技旗號(hào)的臺(tái)燈產(chǎn)品，如何判斷和選擇這些產(chǎn)品呢？

其實(shí)，最理想的光線是變化極其緩慢的自然光. 對(duì)于穩(wěn)定的照明光線，眼睛的瞳孔調(diào)節(jié)相對(duì)固定，調(diào)節(jié)量很小，不容易引起眼部光學(xué)系統(tǒng)損傷和視覺(jué)疲勞；對(duì)于不穩(wěn)定的光線，學(xué)習(xí)時(shí)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(xué)系統(tǒng)損傷和視覺(jué)疲勞[9].

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

(1)

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

圖2　波動(dòng)深度示意圖

圖3　波動(dòng)深度測(cè)量裝置圖

為了更好地體會(huì)波動(dòng)深度的意義及影響其變化的因素，專門設(shè)計(jì)了用LED燈模擬波動(dòng)深度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，圖4展示了部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果. 模擬黑匣子利用直流和交流信號(hào)源驅(qū)動(dòng)2盞LED燈發(fā)光，可通過(guò)調(diào)節(jié)直流和交流信號(hào)幅值，模擬波動(dòng)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(cè)量曲線，下方的直線為地線(即對(duì)應(yīng)V=0 mV). 學(xué)生只需調(diào)節(jié)直流電壓大小和交流信號(hào)的幅值(VP-P)，即可體會(huì)到[13]：

1)光信號(hào)全部為直流成分則H=0%，光源強(qiáng)度無(wú)波動(dòng)變化；當(dāng)光信號(hào)全部為交流成分則H=100%，光源強(qiáng)度波動(dòng)變化最大.

2)適當(dāng)調(diào)節(jié)直流電壓和交流電壓可以達(dá)到H=50%.

可見(jiàn)所謂“不閃”即波動(dòng)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(hào)的幅值，也可以達(dá)到降低波動(dòng)深度的目的.

(a) H=0%

(b) H=100%

(c) H=50%圖4　觀測(cè)波動(dòng)深度

利用圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置，可以讓學(xué)生實(shí)際測(cè)量不同光源的波動(dòng)深度. 圖5為白熾燈波動(dòng)深度的測(cè)量結(jié)果. 計(jì)算可知白熾燈的波動(dòng)深度約為30%.

圖5　觀測(cè)白熾燈的波動(dòng)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(dòng)深度的測(cè)量結(jié)果. 通過(guò)示波器圖像，學(xué)生們可直觀看到肉眼看似穩(wěn)定的光源其實(shí)是周期性明暗變化的. 實(shí)際生活中，可以通過(guò)提高背景光的亮度，來(lái)達(dá)到降低波動(dòng)深度的目的.

4實(shí)驗(yàn)儀器要操作簡(jiǎn)單

該實(shí)驗(yàn)涉及到的基本實(shí)驗(yàn)儀器是分光計(jì)和示波器. 以前針對(duì)分光計(jì)開(kāi)設(shè)了“分光計(jì)的調(diào)節(jié)和三棱鏡頂角測(cè)定實(shí)驗(yàn)”，但學(xué)生們普遍反映實(shí)驗(yàn)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(shí)間，沖淡了儀器使用部分的內(nèi)容，喧賓奪主，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容枯燥乏味，而實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生很難對(duì)儀器使用留下深刻印象. 針對(duì)這種情況，該實(shí)驗(yàn)對(duì)分光計(jì)只做簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)要求，上課前由教師大致調(diào)好，課上學(xué)生只需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡位置即可觀察到彩色譜線.

為了使頻閃和波動(dòng)深度的觀測(cè)簡(jiǎn)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(cè)面留有視窗，以便學(xué)生直接體驗(yàn)波動(dòng)的影響. 黑匣子如圖6所示，其內(nèi)部主要包括2個(gè)LED光源和光信號(hào)探測(cè)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(dòng)，裝置可用來(lái)模擬頻閃和波動(dòng)深度. 涉及學(xué)生調(diào)節(jié)的只有幾個(gè)旋鈕.

圖6　黑匣子外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

這些簡(jiǎn)化后的實(shí)驗(yàn)操作，使文科學(xué)生更容易上手，增加了學(xué)生的成就感及實(shí)驗(yàn)熱情，使學(xué)生的注意力集中在實(shí)驗(yàn)的觀察和結(jié)果的分析上.

5要展示高科技手段輔助的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了使學(xué)生了解科學(xué)前沿，進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，我們演示了科研上利用便攜式微型光纖光譜儀測(cè)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(zhǎng)也經(jīng)過(guò)線性校準(zhǔn)，譜線測(cè)量范圍寬，能更準(zhǔn)確地反映光譜特性，因此，學(xué)生可以進(jìn)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(jiàn)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(zhǔn)確辨識(shí)，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(cè)量的各種白光光譜

6要深入淺出地分析、理解與引申實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)光譜實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生環(huán)保意識(shí)，生活中注意避免含汞燈泡的隨意丟棄；提高了學(xué)生自身防護(hù)的科學(xué)意識(shí)，盡量多曬太陽(yáng)光，避免長(zhǎng)期在譜線缺失的光源下學(xué)習(xí)，遠(yuǎn)離紫外輻射這類“光污染”[5]；拉近了學(xué)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(xué)生思考一些貼近生活的小實(shí)驗(yàn)，例如：沒(méi)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(jī)屏幕，或電視屏幕)，可以看到紅、綠、藍(lán)三基色，從而體會(huì)白光是復(fù)合光的道理.

通過(guò)頻閃實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生思考為什么高速行駛的車輪有時(shí)看起來(lái)不轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)；如果晃動(dòng)鉛筆，在太陽(yáng)光和日光燈下，看到的“虛影”有什么不同.

通過(guò)波動(dòng)深度的研究，使學(xué)生了解人眼疲勞的來(lái)源，培養(yǎng)其個(gè)人用眼衛(wèi)生，保護(hù)視力.

7結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富有趣，實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單易操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體直觀，已在文科本科生中進(jìn)行了一學(xué)期教學(xué)試點(diǎn)，達(dá)到了令人滿意的效果，使文科學(xué)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(diǎn)；在學(xué)習(xí)生活中學(xué)會(huì)判斷及利用不同光源，避免光污染；糾正了學(xué)生長(zhǎng)期以來(lái)的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)：諸如認(rèn)為光源發(fā)光越白越亮越是好光源，白光源和太陽(yáng)光一樣是連續(xù)譜，光源缺譜線對(duì)身體無(wú)害等；并且在實(shí)驗(yàn)中掌握了分光計(jì)和示波器等基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用，提高了動(dòng)手能力. 從不同的高科技產(chǎn)品光源的判斷、選擇，到個(gè)人用眼衛(wèi)生的培養(yǎng)；從增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)到遠(yuǎn)離光環(huán)境污染，這些知識(shí)的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生都是大有益處的. 本實(shí)驗(yàn)可供相關(guān)高校文科類物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)參考.

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[責(zé)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(hào)：G642.423

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xué)物理系教授，博士，從事物理光學(xué)及物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

作者簡(jiǎn)介：林珊(1978-)，女，吉林省吉林市人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系工程師，博士，從事凝聚態(tài)物理及物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

收稿日期：2014-05-05；修改日期：2014-07-18

“第8屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

資助項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(No.JG2012010151); “985工程”哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科生2014教學(xué)改革建設(shè)項(xiàng)目(No.HITBKJG2014-phys);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助(No.HIT.NSRIT.2013084)