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年級物理上冊第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]常見的方法是將通過各種途徑獲得的三原色光同時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，是通過設(shè)計(jì)的單片機(jī)或電位器控制電路，對紅、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.此方法所用器材簡單、操作簡便、現(xiàn)象可見度高，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，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，才能呈現(xiàn)合成光，其余位置則無法重疊合成；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角度均能觀察到板前燈的虛像和板后燈的實(shí)體，同時也能在板前從各個角度觀察到重疊區(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)三種色光同時相混合才能合成白光，但如果同時取紅、綠、藍(lán)3個燈，由于3個燈只能分居于玻璃板的前、后兩側(cè)，因而3個燈中總會有兩個燈位于玻璃板同側(cè)，而同側(cè)的兩燈彼此間因相互遮擋，最終會使紅、綠、藍(lán)3個燈的光無法同時重疊而合成白光，即按照本實(shí)驗(yàn)方案合成色光，每次只能同時取兩個燈，而不能同時取3個燈.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，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關(guān)均不變，仍可獨(dú)立控制.當(dāng)閉合其中一個開關(guān)，則此燈發(fā)出紅光或綠光，當(dāng)紅、綠LED發(fā)光體的兩控制開關(guān)同時打開，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比，經(jīng)肉眼識別可見，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.通過選擇參與合成實(shí)驗(yàn)的兩個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，成本低，操作簡便，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)象可見度高，且白天也無需作遮光處理，從玻璃板前方各個角度均可觀察，演示效果佳.