自制數(shù)字化實驗教具探究視覺暫留

徐新兵　張志巖　項淳

利用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，由電機帶動磁鐵轉(zhuǎn)動，使霍爾開關(guān)記錄磁鐵擾動頻率，擾動四只干簧管，其中一只控制白色發(fā)光二極管，另三只控制三原色光二極管閃爍，并投射到顯示區(qū)上進(jìn)行交疊，進(jìn)行光的合成。

? 1.視覺暫留現(xiàn)象

在當(dāng)前物理教學(xué)中，常常運用三原色旋轉(zhuǎn)盤或七原色旋轉(zhuǎn)盤來進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)演示，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)可以將反射光合成為白光。據(jù)書籍介紹，通常人眼的視覺暫留時間介于0.1s～0.4s之間。而現(xiàn)有教具只能定性研究視覺暫留現(xiàn)象。因此制作一臺能夠進(jìn)行視覺暫留定量研究的儀器。

? 2.研究過程

為了符合學(xué)生認(rèn)知特點，采用了學(xué)生更容易觀察理解的機械轉(zhuǎn)動方式。使用調(diào)速電機帶動磁鐵對霍爾開關(guān)進(jìn)行擾動以顯示擾動的頻率，同時，通過相同的擾動方式控制發(fā)光體的發(fā)光，觀察視覺暫留和光的合成現(xiàn)象。

? 2.1器材的選取

器材一：12v全銅線的直流電機，馬達(dá)12齒，反復(fù)驗證，該電機轉(zhuǎn)速均勻。

器材二：通過可調(diào)電阻來改變電機中的電流，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。利用磁鐵的機械旋轉(zhuǎn)方式來干擾霍爾開關(guān)，通過連接頻率計可以顯示磁鐵的旋轉(zhuǎn)頻率。

器材三：選擇干簧管作為控制發(fā)光體閃爍的控制元件。

器材四：用12V電源給電機與頻率計供電，而發(fā)光二極管用普通電池供電。

? 2.2電路的設(shè)計

由于要用到不同的電壓值，所以整個電路分成12V供電與3V供電兩個部分，分割成兩個獨立的電路。

圖1：電機調(diào)速與頻率測定電路

圖2：閃光控制與顯示電路

圖3：機箱面板布局圖

注：1為12V電源開關(guān)，對應(yīng)K1；2為調(diào)速電阻旋鈕；3為頻率計；4為電源開關(guān)，對應(yīng)K2；5為白光控制開關(guān)，對應(yīng)K3；6為白光閃光顯示區(qū)，外部安裝乳白色半透明光罩，內(nèi)部安裝白色發(fā)光二極管；7為紅色閃光控制開關(guān)，對應(yīng)K4；8為綠色閃光控制開關(guān)，對應(yīng)K5；9為藍(lán)色閃光控制開關(guān)，對應(yīng)K6；10為三色光閃光顯示區(qū)域，外部安裝乳白色半透明光罩，內(nèi)部安裝三原色發(fā)光二極管。

? 2.3元件的整體布排

機箱采用現(xiàn)成的機箱外殼，面板上主要由磁鐵擾動控制與頻率顯示區(qū)域，閃光控制與顯示區(qū)域兩部分組成，在機箱頂部安裝轉(zhuǎn)動與傳感元件。

左側(cè)由1、2、3組成磁鐵擾動控制與頻率顯示區(qū)域。由1控制k1，由2控制可調(diào)電阻，由3顯示磁鐵擾動頻率。

右側(cè)由4～10組成閃光控制與顯示區(qū)域，由4控制k2，5控制k3，由7、8、9分別控制紅、綠、藍(lán)色閃光的通斷，然后在三色光閃光顯示區(qū)10上進(jìn)行顯示。

機箱頂部按設(shè)計要求安裝電機，電機上安裝帶磁鐵的橫桿，在周邊安裝霍爾開關(guān)等5個傳感元件，并安裝上保護(hù)罩。

圖4：機箱頂部元件布排圖

注：11為電動機，12為磁鐵，13為霍爾開關(guān)，14為控制白色閃光的干簧管，15為控制紅色閃光的干簧管，16為控制綠色閃光的干簧管，17為控制藍(lán)色閃光的干簧管，18為保護(hù)罩。

? 3.工作原理

利用調(diào)速電機控制轉(zhuǎn)動速度，在電機軸上裝一根橫桿，兩端各裝一塊磁鐵。電機轉(zhuǎn)動時，通過霍爾開關(guān)顯示出轉(zhuǎn)動的頻率為電機實際轉(zhuǎn)速2倍的頻率值，另裝一干簧管，連接一只白色的發(fā)光二極管，那么電機每轉(zhuǎn)動一周同樣二次擾動干簧管使發(fā)光二極管電路導(dǎo)通，則顯示的頻率值與觀察到發(fā)光二極管閃光的頻率是同步的，通過電機轉(zhuǎn)動速度的變化，我們可以看到頻率逐漸加快，到一定頻率時感覺不到閃動，說明到達(dá)了我們視覺暫留的臨界點，那樣可以定量地知道視覺暫留的時間。

? 4.使用方法

? 4.1對視覺暫留定量研究的使用方法

合上12V電源開關(guān)K1，電機轉(zhuǎn)動，頻率計顯示即時擾動頻率。

合上3V電源開關(guān)K2、K3，白色發(fā)光二極管閃光，加快電機轉(zhuǎn)速，觀察白色閃光變化，當(dāng)感覺到無閃爍時，記下頻率值N，則此時視覺暫留時間為1/N秒。

? 4.2三原色光利用人的視覺暫留合成的使用方法

合上開關(guān)K1、K2、K4、K5、K6，可觀察到乳白色罩上有相互重合色彩的現(xiàn)象，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，可明顯觀察到中間三原色的疊加區(qū)呈白色。

? 4.3不同色光的視覺暫留時間探索的使用方法

合上K1、K2、K4，加快電機速度，當(dāng)紅光無閃爍時得到紅光視覺暫留時間。

用同樣方法探究綠色光與藍(lán)色光的視覺暫留時間。

? 5.結(jié)語

本設(shè)計創(chuàng)新之處在于利用電機帶動磁鐵讓干簧管控制發(fā)光二極管閃光從而觀察到人的視覺暫留現(xiàn)象，實驗過程中，通過利用三色發(fā)光二極管對光進(jìn)行合成，并將其推廣到利用不同顏色的光線進(jìn)行對不同色光的視覺暫留時間差異的研究。

本研究系2023年度“華東師范大學(xué)—云思智學(xué)教育數(shù)字化戰(zhàn)略實驗室”開放基金資助課題“數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用研究”（課題編號：202309002）的部分研究成果。

（作者單位：江蘇省蘇州市吳中區(qū)甪直高級中學(xué)）