用平板玻璃反射與透射實(shí)現(xiàn)光的合成

黃 柯 顏 茜

（楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，云南 楚雄 675000）

“色光的混合”是人教版8年級(jí)物理上冊(cè)第4章第5節(jié)“光的色散”中的重要內(nèi)容之一.教學(xué)中最關(guān)鍵的是要能通過(guò)色光的混合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生實(shí)際觀察到光的合成現(xiàn)象.這樣才能真正理解光的三原色原理，因此，設(shè)計(jì)并成功演示光的合成實(shí)驗(yàn)對(duì)本節(jié)教學(xué)至關(guān)重要.

光的合成實(shí)驗(yàn)方法多樣，[1-6]常見(jiàn)的方法是將通過(guò)各種途徑獲得的三原色光同時(shí)投射到白屏上直接混合合成.獲得三原色光的途徑各異，有的是讓白光通過(guò)紅、綠、藍(lán)彩色透明濾色片而獲得；有的是用能單獨(dú)射出紅、綠、藍(lán)光的3只電筒獲得；還有的演示儀是在其圓筒形燈罩內(nèi)線路板上，在等邊三角形3個(gè)頂點(diǎn)分別裝有紅、綠、藍(lán)發(fā)光二極管，由其直接射出三原色光，但以上這類實(shí)驗(yàn)不足之處是由于出射光強(qiáng)固定，因而只能演示等量色光混合.另一類型光的合成演示儀，是通過(guò)設(shè)計(jì)的單片機(jī)或電位器控制電路，對(duì)紅、綠、藍(lán)LED的輸出亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以合成不同的顏色.[5，6]這類演示儀演示效果非常好，但這需要進(jìn)行專門的電路設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn).本文另辟蹊徑，設(shè)計(jì)了一種光的合成的新方法，是以紅、綠、藍(lán)三原色直流LED燈泡作為光源，用平板玻璃將反射與透射的色光相混合合成，并且還可演示等量或非等量色光混合.此方法所用器材簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象可見(jiàn)度高，利于觀察.

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原理和方法

紅、綠、藍(lán)光為基色光，稱為光的三原色，利用三原色按不同比例混合而獲得彩色的方法稱為混色法，[7]圖1所示為三原色的相加混色圖.

圖1 相加混色法

實(shí)驗(yàn)裝置及光路圖如圖2-圖4所示.選取一塊平板玻璃，從紅、綠、藍(lán)三原色LED燈泡中任選不同顏色的兩只燈泡.以選紅燈與綠燈為例說(shuō)明，將紅燈置于玻璃板前，綠燈置于板后，因平板玻璃表面平整、光潔，既是一塊平面鏡，能反射光，使置于板前的紅燈經(jīng)反射在板后成一虛像，又能使光折射透過(guò)玻璃板，透射出板后綠燈的實(shí)體.實(shí)驗(yàn)中，觀察者在玻璃板前，邊觀察、邊移動(dòng)調(diào)節(jié)板后綠燈位置，當(dāng)綠燈剛好移至紅燈像的位置時(shí)，綠燈的實(shí)體與紅燈的虛像重疊在同一位置，則可看到在重疊區(qū)域紅、綠兩種色光相混合合成為黃色，其實(shí)質(zhì)是經(jīng)玻璃板透射的綠光與反射的紅光相混合合成出黃光.

圖2 光的合成實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖3 光的合成實(shí)驗(yàn)裝置及光路側(cè)視圖

圖4 光的合成實(shí)驗(yàn)裝置及光路正視圖

反之，亦可將上述置于板前與板后的兩燈對(duì)調(diào)位置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前相同.

本實(shí)驗(yàn)方案是采用空間混合方式，使玻璃板后燈的實(shí)體與玻璃板反射所成燈的虛像重疊在同一空間位置而合成光，因?yàn)橹挥写硕舻膶?shí)體與虛像重疊時(shí)才能混色合成，因此，首先，只有當(dāng)玻璃板后的燈剛好處于板前燈的虛像位置時(shí)，才能呈現(xiàn)合成光，其余位置則無(wú)法重疊合成；其次，由于LED燈泡為一球狀光源，置于板前或板后的LED燈泡發(fā)出的光，被玻璃板反射或透射后的光線都是以燈泡球心為中心向四面八方發(fā)出的發(fā)散光[在圖3（b）和圖4（b）兩示意圖中，僅畫(huà)出了垂直于玻璃板的部分反射光線與透射光線]，因此，觀察者在板前從各個(gè)角度均能觀察到板前燈的虛像和板后燈的實(shí)體，同時(shí)也能在板前從各個(gè)角度觀察到重疊區(qū)域所合成的色光.

采用上述方法，只需選擇替換置于板前和板后的兩只不同顏色的LED燈泡，就可以合成其他顏色的各種色光，如青、品紅.

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材：深色鍍膜平玻璃板1塊，板長(zhǎng)25.00cm、寬23.50cm、厚3.70cm，需采用鍍膜玻璃，因其鍍有半反射膜，才能保證成清晰度高的像；功率分別為1W和5W的紅、綠、藍(lán)三原色各色LED燈泡各1只.LED燈泡結(jié)構(gòu)如圖5所示，由LED發(fā)光體與燈罩、電路、開(kāi)關(guān)、干電池組成，白色塑料燈罩直徑均為4.5cm，由2節(jié)1.5V干電池供電.

圖5 LED燈泡結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果及分析

2.1 合成黃、品紅、青3種色光的實(shí)驗(yàn)方案

以紅、綠、藍(lán)三原色LED燈泡為光源，任選其中兩色LED燈泡，分別置于玻璃板之前、后兩側(cè)，在玻璃板前觀察并適當(dāng)移動(dòng)板后燈的位置，直至使板后燈的實(shí)體與板前燈的虛像重疊，在二者重疊區(qū)，由兩種色光相混合，分別合成了黃、品紅、青3種色光.具體如下：如圖6所示，取紅燈和綠燈，則在綠燈的實(shí)體與紅燈的虛像重疊區(qū)，由透射的綠光與反射的紅光相混合而得黃光；如圖7所示，取紅燈和藍(lán)燈，則在藍(lán)燈的實(shí)體與紅燈的虛像重疊區(qū)，由透射的藍(lán)光與反射的紅光相混合而得品紅光；如圖8所示，取綠燈與藍(lán)燈，則在藍(lán)燈的實(shí)體與綠燈的虛像重疊區(qū)，由透射的藍(lán)光與反射的綠光相混合而得青光.

圖6 用紅燈與綠燈合成黃光

圖7 用紅燈與藍(lán)燈合成品紅光示意圖

圖8 用綠燈與藍(lán)燈合成青光示意圖

2.2 合成白光的實(shí)驗(yàn)方案

白光的合成是光的合成實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容.據(jù)相加混色法原理，需將紅、綠、藍(lán)三種色光同時(shí)相混合才能合成白光，但如果同時(shí)取紅、綠、藍(lán)3個(gè)燈，由于3個(gè)燈只能分居于玻璃板的前、后兩側(cè)，因而3個(gè)燈中總會(huì)有兩個(gè)燈位于玻璃板同側(cè)，而同側(cè)的兩燈彼此間因相互遮擋，最終會(huì)使紅、綠、藍(lán)3個(gè)燈的光無(wú)法同時(shí)重疊而合成白光，即按照本實(shí)驗(yàn)方案合成色光，每次只能同時(shí)取兩個(gè)燈，而不能同時(shí)取3個(gè)燈.因此，采用本實(shí)驗(yàn)方案合成白光，需分兩步完成.第1步，先將紅燈與綠燈組合混色制作1個(gè)黃燈，即先完成紅光與綠光混合合成黃光.黃燈制作方法如下：取功率同為5W的紅、綠LED燈泡各1只，先將兩燈罩打開(kāi)，將其中綠燈的LED發(fā)光體取出后放入紅燈燈罩中，疊放于紅燈LED發(fā)光體之上，紅、綠兩只LED發(fā)光體各自的控制電路及開(kāi)關(guān)均不變，仍可獨(dú)立控制.當(dāng)閉合其中一個(gè)開(kāi)關(guān)，則此燈發(fā)出紅光或綠光，當(dāng)紅、綠LED發(fā)光體的兩控制開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)，則看到因紅光與綠光相混合此燈成為了黃燈.再取制作的黃燈與藍(lán)燈參與實(shí)驗(yàn)，完成藍(lán)光與黃光混合合成白光，如圖9所示，在玻璃板前放置制作的黃燈，再在玻璃板后黃燈虛像的位置放置藍(lán)燈，此時(shí)在玻璃板前即可看到藍(lán)燈與制作黃燈的像在重疊部分合成了白光.

圖9 用制作黃燈與藍(lán)燈合成白光示意圖

按照同樣的方法，也可采用如圖10所示方法，先將功率相同的紅燈與藍(lán)燈組合，混色制作一個(gè)品紅燈，然后再取制作的品紅燈與綠燈參與實(shí)驗(yàn)而合成白光；還可以如圖11所示，先將功率相同的綠燈與藍(lán)燈組合，混色制作一個(gè)青燈，然后再取制作的青燈與紅燈參與實(shí)驗(yàn)而合成白光.

圖10 用制作品紅燈與綠燈合成白光示意圖

圖11 用制作青燈與紅燈合成白光示意圖

2.3 演示等量色光混合與非等量色光混合

采用本實(shí)驗(yàn)方法，還可進(jìn)一步探究各色光混合比例不同所引起的合成色光顏色的深淺差異.由于燈泡的發(fā)光光強(qiáng)與燈泡電功率成正比，控制住燈泡的電功率，也就控制了光強(qiáng)，因此，通過(guò)選擇參與合成的兩單色LED燈泡的功率，則可控制相混合的兩種基色光的光強(qiáng)比例，從而可演示等量色光混合或非等量色光混合.以紅光與綠光合成黃光為例，若選取紅燈功率為5W而綠燈功率也同為5W，則可演示等量色光混合；若選取紅燈功率為5W而綠燈功率為1W，則可演示非等量色光混合.將這兩種情形所合成的黃光作對(duì)比，經(jīng)肉眼識(shí)別可見(jiàn)，等量色光混合合成的黃光色調(diào)更深，偏橙紅色；而非等量色光混合合成的黃光色調(diào)則更淺，偏淺黃色.

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以紅、綠、藍(lán)三原色直流LED燈泡為光源，利用平板玻璃反射與透射，使不同顏色的色光相混合實(shí)現(xiàn)光的合成的實(shí)驗(yàn)方法，可實(shí)現(xiàn)黃、品紅、青光以及白光的合成.通過(guò)選擇參與合成實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)LED燈泡的功率，可演示等量或非等量色光混合.此實(shí)驗(yàn)方法，器材可網(wǎng)購(gòu)，成本低，操作簡(jiǎn)便，LED燈泡由直流供電，安全性高，各燈可隨意組合，合成顏色多樣，現(xiàn)象可見(jiàn)度高，且白天也無(wú)需作遮光處理，從玻璃板前方各個(gè)角度均可觀察，演示效果佳.