光的色散實驗組合演示儀

鄭潔琪 韓麗梅 王靜

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

1 前言

“光的色散”是滬科版八年級物理第四章第4節內容，包括光的色散、光的混合和物體顏色3個部分教學內容．本節的教學內容與生活的關系密切，學生能真正地利用嚴謹、科學的知識去解釋生活中夢幻的光現象．基于此，文獻[1]提倡與學生進行探究式教學．教學中學生容易受到生活經驗或者慣性思維的影響，而被自己的眼睛“欺騙”，文獻[2]和文獻[3]認為，設計本節教學，特別是安排內容和配套實驗上應循序漸進，注重其邏輯性．教材只在光的色散部分安排了太陽光折射和三棱鏡折射實驗，這兩個演示實驗都是以太陽光作為光源，容易受到天氣、教室位置等因素限制而影響實驗效果．同時，光的混合和物體顏色兩個部分的教學內容較為抽象，缺少對直觀實驗現象的觀察．實驗是物理的基礎，為了迎合課堂教學的需要，不少先輩開始動手研究實驗教具，文獻[4]提出LED燈的光源在實驗中能夠達到更好的效果，文獻[5]在實驗教具中使用了暗盒，是克服環境光影響的一個巨大突破，文獻[6]又利用較大的設施放大了光的色散實驗現象．關于如何讓學生通過實驗現象更好、更直觀地理解其中原理，相關的改進還在不斷地討論和進行中．

為了提高課堂教學效果，本文設計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境，完成“光的色散”這一節教學內容的多個實驗，該演示儀便攜快捷，不受環境因素影響，操作方便，實驗現象明顯，能滿足課堂教學要求．

2 儀器設計

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 設計說明

(1)儲物箱部分(三視圖)

光的色散組合演示儀儲物箱部分結構如圖2所示.其中，①為三基色燈泡控制系統，②為三基色LED燈帶(紅、綠、藍各1 m)，③為載物臺，④為光屏，⑤為三基色燈帶控制系統，⑥為推拉槽系統，⑦為面向教師設計的透光孔，⑧為面向學生設計的透光孔，⑨為三基色LED燈泡(紅、綠、藍各1個)系統，⑩分辨率為1080*720的USB攝像頭．

在大部分光學實驗中，環境光線對于實驗的現象有比較大的影響，于是利用現成的儲物箱，首先在儲物箱內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反射箱子內部的光線，以方便我們觀察色光混合的結果．由于將電位器作為二端元件使用，可做變阻功能，故通過3個電位器分別串聯合適的電阻和紅、綠、藍3種色燈，可實現對三基色燈的光強的控制，可得到經典三基色光斑混合實驗結果，如圖2的①．

(2)三基色LED燈系統

由于LED燈是發散光源，故包裹燈罩達到收束光線、獲取平行光的效果．發出來的光線恰好能夠在光屏上打出3個色光的光斑，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，②為連接盤，③為塑料燈罩(由兩個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

(3)光屏系統

光屏系統如圖4所示，前后遮光光屏可以保障箱內黑暗環境的純凈，在進行具體實驗操作時可取出，可通過通光孔⑦⑧觀察內部光線混合情況，最大程度地保障箱內光源純凈．在抽屜結構中尋找靈感，制作可前后移動一定距離的光屏系統④，通過箱外的控制桿⑥來調節投影儀到光屏的距離，以此來控制相同光強的變化．

(4)三基色燈帶及控制系統

三基色燈帶及控制系統如圖5所示.在箱子的內部環繞三基色燈帶，紅、綠、藍各1 m，如圖5(a)中②．通過白紙對色光的反射以及漫反射使色光遍布整個箱內，以達到我們所需要的混合色光的效果．每一個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)，可分別控制每種光源的強弱．

圖5 三基色燈帶及控制系統

(5)載物臺系統

載物臺系統如圖6所示.利用輕便的雪弗板配合可調節松緊的螺絲來制作可調節的載物臺③(Ⅲ為可調節角度的合頁)．載物臺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，詳細結構如圖)．載物臺下端放置的連接電腦的攝像頭⑩可將箱內的情況實時投放到教學投影儀上．

(6)其他配件

圖7(a)～(f)分別為紅、綠激光筆，紅色透明卡紙板(對比款)，黑色擋光板，投屏軟件(101教育PPT)，黑色底座的紅綠藍三色不透明卡紙花，光學三棱鏡.

3 在物理教學中的使用方法

實驗一：七彩箱子

將燈帶控制器接上電源，打開紅光，讓學生通過木箱側面的透光孔觀察到箱子內紅色光，如圖8(a)所示，實驗現象如圖8(b)所示．

現象：混入一點點綠光，箱子內顏色變為橙色，混入較多綠光，箱子內呈現黃色；關閉紅光，箱子內出現綠色，混入一點點藍光，箱子內變為靛色．關閉綠光，箱子內變為藍色，混入一點點紅光，箱子內變為紫色(導入實驗，引起探究欲望)．

實驗二：牛頓經典色散實驗

打開左側光屏，將三棱鏡放置在卡槽上，調整到合適位置，如圖9(a)所示．蓋上翻蓋，利用強光手電筒從透光孔打入強光，通過攝像頭觀察在箱子內部光的色散情況，如圖9(b)所示，得到結論——白光經過三棱鏡可分解為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種色光．

實驗三：光的三基色(色光的合成)

打開電池電源，將鏡筒放置在載物臺上并且調試為合適的角度．旋轉電位器按鈕使光屏上出現紅、綠、藍3個顏色的光斑，如圖10所示．

(1)分別通過調節光屏的位置、燈的亮度、不同顏色的組合等來觀察3個光斑交界處的顏色變化.

結論：不同比例、不同組合的三基色混合會改變混合光的顏色．

(2)升級實驗：通過抽拉桿改變光屏到攝像頭的距離來改變光強的同步變化.

結論：同比例地改變三基色光的強度不會造成混合光顏色的變化，只會造成亮度的變化．

圖10 色光的合成

實驗四：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，如圖11(a)所示．

(1)將三基色卡紙花放置在光屏的前面，蓋上蓋子使整個箱子內部環境保持黑暗，打開紅色燈帶，觀察小花的顏色現象，如圖11(b)所示；關閉紅色燈帶，打開綠色燈帶，觀察小花的顏色現象，如圖11(c)所示；關閉綠色燈帶，打開藍色燈帶，觀察小花的顏色現象，如圖11(d)所示．得到結論——箱子中的小花只反射和自己顏色相同的光，若箱子中沒有和自己顏色相同的部分，那便全部吸收不反光，呈現黑色．

(2)考慮生活中大多數光為混合光，于是，升級實驗創造至少兩個基色的混合光系統，例如：分別嘗試紅綠組合的橙黃光、綠藍組合的靛光、藍紅組合的紫光下小花的顏色現象，得出結論——在混合色光環境中，小花分別反射與自己顏色相同的部分．若環境中沒有與自己顏色相同的成分，即完全吸收，不反射任何色光，呈現黑色．實驗現象如圖11(e)、(f)、(g)所示.

該設計既出現了與物理原理相符合的實驗現象，又排除了偶然性，貼近生活．

結論：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．

實驗五:透明物體的顏色

將透明紅色對比板放置在光屏前(一半為透明亞克力對照組，一半為紅色透明PVC板)，通過左側透光孔分別用紅色激光筆、綠色激光筆打在對比板的兩個不同區域，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去的情況下，背景光屏能夠亮起來，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，該區域一片黑暗)．得到結論——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．實驗如圖12所示.

4 使用效果

本套色光組合演示儀，結合課標要求、對教材的深入研究和一線教師身上的一些經驗進行設計和改進，糅合滬科版光的色散這一節的教學需求，進行一個整體、便利的設計．教具主要是針對白光的分解、色光的合成、不透明物體的顏色、透明物體的顏色四大內容進行設計，涵蓋全面，安全、便利、經濟，并且具有一定的啟發性，能夠真正地去通過科學的現象來糾正學生由于慣性思維所產生的一些錯誤認識，實驗效果明顯，直觀地通過現象來說服學生，做到有理可依，培養學生良好的探究精神以及實事求是的科學態度．