光的色散實(shí)驗(yàn)組合演示儀

鄭潔琪 韓麗梅 王靜

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

1 前言

“光的色散”是滬科版八年級(jí)物理第四章第4節(jié)內(nèi)容，包括光的色散、光的混合和物體顏色3個(gè)部分教學(xué)內(nèi)容．本節(jié)的教學(xué)內(nèi)容與生活的關(guān)系密切，學(xué)生能真正地利用嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的知識(shí)去解釋生活中夢(mèng)幻的光現(xiàn)象．基于此，文獻(xiàn)[1]提倡與學(xué)生進(jìn)行探究式教學(xué)．教學(xué)中學(xué)生容易受到生活經(jīng)驗(yàn)或者慣性思維的影響，而被自己的眼睛“欺騙”，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，設(shè)計(jì)本節(jié)教學(xué)，特別是安排內(nèi)容和配套實(shí)驗(yàn)上應(yīng)循序漸進(jìn)，注重其邏輯性．教材只在光的色散部分安排了太陽(yáng)光折射和三棱鏡折射實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)都是以太陽(yáng)光作為光源，容易受到天氣、教室位置等因素限制而影響實(shí)驗(yàn)效果．同時(shí)，光的混合和物體顏色兩個(gè)部分的教學(xué)內(nèi)容較為抽象，缺少對(duì)直觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察．實(shí)驗(yàn)是物理的基礎(chǔ)，為了迎合課堂教學(xué)的需要，不少先輩開(kāi)始動(dòng)手研究實(shí)驗(yàn)教具，文獻(xiàn)[4]提出LED燈的光源在實(shí)驗(yàn)中能夠達(dá)到更好的效果，文獻(xiàn)[5]在實(shí)驗(yàn)教具中使用了暗盒，是克服環(huán)境光影響的一個(gè)巨大突破，文獻(xiàn)[6]又利用較大的設(shè)施放大了光的色散實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．關(guān)于如何讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更好、更直觀地理解其中原理，相關(guān)的改進(jìn)還在不斷地討論和進(jìn)行中．

為了提高課堂教學(xué)效果，本文設(shè)計(jì)制作了一種光的色散演示儀，能模擬自然光以及多種色光環(huán)境，完成“光的色散”這一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的多個(gè)實(shí)驗(yàn)，該演示儀便攜快捷，不受環(huán)境因素影響，操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能滿足課堂教學(xué)要求．

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1 儀器總體

光的色散組合演示儀如圖1所示.其中三色小花為有色不透明物體，卡紙為PVC有色透明卡紙．

圖1 光的色散組合演示儀及其配件材料

2.2 設(shè)計(jì)說(shuō)明

(1)儲(chǔ)物箱部分(三視圖)

光的色散組合演示儀儲(chǔ)物箱部分結(jié)構(gòu)如圖2所示.其中，①為三基色燈泡控制系統(tǒng)，②為三基色LED燈帶(紅、綠、藍(lán)各1 m)，③為載物臺(tái)，④為光屏，⑤為三基色燈帶控制系統(tǒng)，⑥為推拉槽系統(tǒng)，⑦為面向教師設(shè)計(jì)的透光孔，⑧為面向?qū)W生設(shè)計(jì)的透光孔，⑨為三基色LED燈泡(紅、綠、藍(lán)各1個(gè))系統(tǒng)，⑩分辨率為1080*720的USB攝像頭．

在大部分光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境光線對(duì)于實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象有比較大的影響，于是利用現(xiàn)成的儲(chǔ)物箱，首先在儲(chǔ)物箱內(nèi)部貼一層黑色的卡紙用于隔絕箱子外部的光線，再覆蓋上一層白色的卡紙來(lái)反射箱子內(nèi)部的光線，以方便我們觀察色光混合的結(jié)果．由于將電位器作為二端元件使用，可做變阻功能，故通過(guò)3個(gè)電位器分別串聯(lián)合適的電阻和紅、綠、藍(lán)3種色燈，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三基色燈的光強(qiáng)的控制，可得到經(jīng)典三基色光斑混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2的①．

(2)三基色LED燈系統(tǒng)

由于LED燈是發(fā)散光源，故包裹燈罩達(dá)到收束光線、獲取平行光的效果．發(fā)出來(lái)的光線恰好能夠在光屏上打出3個(gè)色光的光斑，光斑邊界清晰，合成效果明顯．圖3中①為三基色LED燈泡的載物盤(pán)，②為連接盤(pán)，③為塑料燈罩(由兩個(gè)方形塑料殼包裹而成，外面再封上黑色泡沫紙防止外部光源干擾)．

圖3 三基色LED系統(tǒng)

(3)光屏系統(tǒng)

光屏系統(tǒng)如圖4所示，前后遮光光屏可以保障箱內(nèi)黑暗環(huán)境的純凈，在進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)操作時(shí)可取出，可通過(guò)通光孔⑦⑧觀察內(nèi)部光線混合情況，最大程度地保障箱內(nèi)光源純凈．在抽屜結(jié)構(gòu)中尋找靈感，制作可前后移動(dòng)一定距離的光屏系統(tǒng)④，通過(guò)箱外的控制桿⑥來(lái)調(diào)節(jié)投影儀到光屏的距離，以此來(lái)控制相同光強(qiáng)的變化．

(4)三基色燈帶及控制系統(tǒng)

三基色燈帶及控制系統(tǒng)如圖5所示.在箱子的內(nèi)部環(huán)繞三基色燈帶，紅、綠、藍(lán)各1 m，如圖5(a)中②．通過(guò)白紙對(duì)色光的反射以及漫反射使色光遍布整個(gè)箱內(nèi)，以達(dá)到我們所需要的混合色光的效果．每一個(gè)控制器控制一種顏色的燈帶如圖5(b)中⑤(由上至下分別為紅、綠、藍(lán))，可分別控制每種光源的強(qiáng)弱．

圖5 三基色燈帶及控制系統(tǒng)

(5)載物臺(tái)系統(tǒng)

載物臺(tái)系統(tǒng)如圖6所示.利用輕便的雪弗板配合可調(diào)節(jié)松緊的螺絲來(lái)制作可調(diào)節(jié)的載物臺(tái)③(Ⅲ為可調(diào)節(jié)角度的合頁(yè))．載物臺(tái)上端可放置三基色燈筒⑨、三棱鏡(圖示Ⅰ和Ⅱ部分為三棱鏡支架，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖)．載物臺(tái)下端放置的連接電腦的攝像頭⑩可將箱內(nèi)的情況實(shí)時(shí)投放到教學(xué)投影儀上．

(6)其他配件

圖7(a)～(f)分別為紅、綠激光筆，紅色透明卡紙板(對(duì)比款)，黑色擋光板，投屏軟件(101教育PPT)，黑色底座的紅綠藍(lán)三色不透明卡紙花，光學(xué)三棱鏡.

3 在物理教學(xué)中的使用方法

實(shí)驗(yàn)一：七彩箱子

將燈帶控制器接上電源，打開(kāi)紅光，讓學(xué)生通過(guò)木箱側(cè)面的透光孔觀察到箱子內(nèi)紅色光，如圖8(a)所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖8(b)所示．

現(xiàn)象：混入一點(diǎn)點(diǎn)綠光，箱子內(nèi)顏色變?yōu)槌壬烊胼^多綠光，箱子內(nèi)呈現(xiàn)黃色；關(guān)閉紅光，箱子內(nèi)出現(xiàn)綠色，混入一點(diǎn)點(diǎn)藍(lán)光，箱子內(nèi)變?yōu)榈迳P(guān)閉綠光，箱子內(nèi)變?yōu)樗{(lán)色，混入一點(diǎn)點(diǎn)紅光，箱子內(nèi)變?yōu)樽仙?導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)，引起探究欲望)．

實(shí)驗(yàn)二：牛頓經(jīng)典色散實(shí)驗(yàn)

打開(kāi)左側(cè)光屏，將三棱鏡放置在卡槽上，調(diào)整到合適位置，如圖9(a)所示．蓋上翻蓋，利用強(qiáng)光手電筒從透光孔打入強(qiáng)光，通過(guò)攝像頭觀察在箱子內(nèi)部光的色散情況，如圖9(b)所示，得到結(jié)論——白光經(jīng)過(guò)三棱鏡可分解為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種色光．

實(shí)驗(yàn)三：光的三基色(色光的合成)

打開(kāi)電池電源，將鏡筒放置在載物臺(tái)上并且調(diào)試為合適的角度．旋轉(zhuǎn)電位器按鈕使光屏上出現(xiàn)紅、綠、藍(lán)3個(gè)顏色的光斑，如圖10所示．

(1)分別通過(guò)調(diào)節(jié)光屏的位置、燈的亮度、不同顏色的組合等來(lái)觀察3個(gè)光斑交界處的顏色變化.

結(jié)論：不同比例、不同組合的三基色混合會(huì)改變混合光的顏色．

(2)升級(jí)實(shí)驗(yàn)：通過(guò)抽拉桿改變光屏到攝像頭的距離來(lái)改變光強(qiáng)的同步變化.

結(jié)論：同比例地改變?nèi)獾膹?qiáng)度不會(huì)造成混合光顏色的變化，只會(huì)造成亮度的變化．

圖10 色光的合成

實(shí)驗(yàn)四：不透明物體的顏色

記住小花在自然光下的顏色順序分別為紅、綠、藍(lán)，如圖11(a)所示．

(1)將三基色卡紙花放置在光屏的前面，蓋上蓋子使整個(gè)箱子內(nèi)部環(huán)境保持黑暗，打開(kāi)紅色燈帶，觀察小花的顏色現(xiàn)象，如圖11(b)所示；關(guān)閉紅色燈帶，打開(kāi)綠色燈帶，觀察小花的顏色現(xiàn)象，如圖11(c)所示；關(guān)閉綠色燈帶，打開(kāi)藍(lán)色燈帶，觀察小花的顏色現(xiàn)象，如圖11(d)所示．得到結(jié)論——箱子中的小花只反射和自己顏色相同的光，若箱子中沒(méi)有和自己顏色相同的部分，那便全部吸收不反光，呈現(xiàn)黑色．

(2)考慮生活中大多數(shù)光為混合光，于是，升級(jí)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造至少兩個(gè)基色的混合光系統(tǒng)，例如：分別嘗試紅綠組合的橙黃光、綠藍(lán)組合的靛光、藍(lán)紅組合的紫光下小花的顏色現(xiàn)象，得出結(jié)論——在混合色光環(huán)境中，小花分別反射與自己顏色相同的部分．若環(huán)境中沒(méi)有與自己顏色相同的成分，即完全吸收，不反射任何色光，呈現(xiàn)黑色．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖11(e)、(f)、(g)所示.

該設(shè)計(jì)既出現(xiàn)了與物理原理相符合的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又排除了偶然性，貼近生活．

結(jié)論：不透明物體的顏色由反射的色光所決定，什么顏色反射什么色光，而吸收其他所有色光．

實(shí)驗(yàn)五:透明物體的顏色

將透明紅色對(duì)比板放置在光屏前(一半為透明亞克力對(duì)照組，一半為紅色透明PVC板)，通過(guò)左側(cè)透光孔分別用紅色激光筆、綠色激光筆打在對(duì)比板的兩個(gè)不同區(qū)域，觀察兩種色光下背景光屏是否亮起(激光筆的色光能夠透射過(guò)去的情況下，背景光屏能夠亮起來(lái)，被攝像頭所接收到；激光筆的色光不能夠透射的情況下，背景光屏一片黑暗，該區(qū)域一片黑暗)．得到結(jié)論——透明物體的顏色由透射的色光所決定，什么顏色就透射什么色光，而吸收其他所有色光．實(shí)驗(yàn)如圖12所示.

4 使用效果

本套色光組合演示儀，結(jié)合課標(biāo)要求、對(duì)教材的深入研究和一線教師身上的一些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，糅合滬科版光的色散這一節(jié)的教學(xué)需求，進(jìn)行一個(gè)整體、便利的設(shè)計(jì)．教具主要是針對(duì)白光的分解、色光的合成、不透明物體的顏色、透明物體的顏色四大內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，涵蓋全面，安全、便利、經(jīng)濟(jì)，并且具有一定的啟發(fā)性，能夠真正地去通過(guò)科學(xué)的現(xiàn)象來(lái)糾正學(xué)生由于慣性思維所產(chǎn)生的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)效果明顯，直觀地通過(guò)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)服學(xué)生，做到有理可依，培養(yǎng)學(xué)生良好的探究精神以及實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度．