自制“三原色光合成”演示教具*

楊嘉航 裴 熙 蔡少玲 李秀燕

(閩南師范大學物理與信息工程學院 福建 漳州 363000)

《初中物理課程標準(2022年版)》中在對實驗室課程資源的開發中提出：“提倡師生利用身邊物品、器具、材料等自主開發物理實驗器材”.鼓勵教師在進行物理相關知識研究的過程中發現原有教具的不足和局限，設計出符合初中生心理和認知特點的演示器材，使教具更加多元化.

光現象是自然界中最基本的物理現象，也是整個物理教學體系中不可或缺的一部分.初中物理人教版教材有關于“三原色合成”的實驗是在八年級上冊第四章第5節“色光的混合”[1].該實驗雖然在光學中不是重點的考查內容，但是色光混合的原理在日常生活中的應用已相當普遍，例如霓虹燈、彩色電視機、電子顯示屏等彩色顯示產品.而目前在光學教學中，用于演示三原色光合成的教具并不多，且多數還只停留在演示兩色光等量混合和三色光等量混合，使得教師在講解三原色合成光的原理時，演示效果比較單一，學生并不能真正有效地理解實驗現象背后色光的混合規律.

1 現有色光合成的演示教具

通過文獻調查發現，現有色光合成的演示教具大致可分為4類：第一類是根據“感覺后效”的原理，通過迅速旋轉七色圓形紙板，讓學生感受到這幾種色光是白光的組成部分[2]，該實驗教具雖制作簡單，取材容易，成本低，但演示的并非是色光的直接混合，不利于學生真正理解三原色光的混合規律；第二類是將紅、綠、藍三色光通過普通幻機投影到幕布上[3]，觀察三原色原理，該操作雖簡單，但會受到環境散光的影響；第三類是采用白光光源和紅、綠、藍三色濾光片各一個，通過組合演示光的三原色原理[4-5]，雖然現象明顯，但所采用的光學元件多，顯示區域過小，學生觀察起來也會比較困難；第四類是通過調制單片機輸出脈沖的占空比來控制紅、藍、綠三色光的輸出亮度，從而展示三原色疊加的過程[6]，該法雖能形象說明光的三原色原理，但不利于激發學生的探索欲望.鑒于此，筆者設計了一種簡易、直觀、可以將紅、綠、藍3種色光以不同比例混合的三原色合成演示教具.

2 自制“三原色光合成”演示教具

2.1 制作原理

本教具采用220 V市電，經12 V電源適配器轉換后進行供電.裝置的結構示意圖如圖1所示.整體為封閉的箱型結構，由燈帶光源、亞克力板及外殼共同來完成色光的混合.其中，①為置于箱體前端的白色亞克力板，作為觀察色光混合規律的顯示屏；②為置于箱體背板的藍、綠、紅3條發光燈帶，作為色光光源；③為置于箱體側板的藍、綠、紅3光帶對應的亮度調節電位器，可改變對應燈帶的明暗程度，得到不同比例的色光；④為置于箱體側板的藍、綠、紅3光帶對應的船型開關，用于控制對應燈帶的開關.而調節燈帶明暗的電位器的控制電路如圖2所示.開啟紅、綠、藍三色的控制開關后可完成兩原色等量混合和三原色等量混合，調節對應的亮度調節電位器可實現色光的不同比例混合.

圖1 結構示意圖

圖2 電位器控制電路

2.2 制作材料

白色方形亞克力板1塊(110 mm×105 mm)，洞洞板1塊(100 mm×70 mm)，紅，綠、藍發光燈帶各1條(三原色)，船型開關3個，亮度調節電位器3個，泡沫板、直針座與公頭端和絕緣膠若干.

2.3 制作過程

2.3.1 焊接元件

分別將帶線的公頭端與電源插孔、3個船型開關、3個電位器以及3條LED燈帶(紅、藍、綠)進行焊接.在焊接口采用絕緣膠進行保護，如圖3所示.

圖3 各類元件圖

2.3.2 連接電路

將洞洞板作為主控制板，如圖4所示.首先將一個直針座插入洞洞板中，再將電源插孔的公頭端子接到控制板的接口①上，之后可以通過12 V/1 A的適配器接到電源插孔上，對整個教具進行供電.將3個船型開關的公頭端子分別接到控制板的接口②上；將3個電位器的公頭端子分別接到控制板的接口③上；將紅色、綠色、藍色LED燈帶的公頭端子分別接到控制板的接口④上.最后將直針座背后的彎針焊接起來，打上絕緣膠保護，背部如圖5所示.

圖4 控制板引腳分布圖

圖5 控制板背部示意圖

2.3.3 組裝教具

電路連接完成后，先將控制板用透明膠帶固定于箱體內側壁上.再將如圖6所示的紅、綠、藍3條LED燈帶貼于燈帶背板上.最后，利用專門的膠水將亞克力板和泡沫板進行拼接，組裝后裝置如圖7所示.

圖6 LED燈帶背板圖

圖7 裝置外觀示意圖

2.4 使用過程

2.4.1 單色光顯示

接通電源，分別打開紅光、綠光、藍光的控制開關，則可在白色亞克力板上依次呈現如圖8所示的紅色、綠色、藍色的色光.

(a)紅色 (b)綠色 (c)藍色

2.4.2 雙原色等量混合

關閉所有控制開關，當同時打開紅光和綠光的控制開關時，則呈現圖9(a)所示黃色；若同時打開紅光和藍光的控制開關，則呈現圖9(b)所示紫色；而若同時打開綠光和藍光的控制開關，則呈現圖9(c)所示青色.這就是兩原色的等量混合效果展示.

(a)黃色 (b)紫色 (c)青色

2.4.3 三原色等量混合

若同時打開紅光、綠光和藍光的控制開關，進行三原色的等量混合，此時三原色完全重疊，在白色亞克力板上呈現白光，效果如圖10所示.

圖10 三原色等量混合效果圖

2.4.4 不同比例色光的混合

利用不同光帶所對應的亮度調節電位器，可實現雙原色的非等量混合.例如同時打開紅光和藍光的控制開關，分別轉動紅光以及藍光對應的亮度調節電位器，將在白色亞克力板上觀察到合成后光的明暗程度以及色彩的變化，效果如圖11所示.

(a)紫色 (b)紅紫色 (c)洋紅色

2.5 教具特點

2.5.1 功能齊全，操作方便

現階段許多教具只能機械地展示兩原色等量混合以及三原色等量混合.而本教具在實現以上兩種功能的基礎上，還可以展示兩原色以及三原色的非等量混合，因此，學生就可以觀察到多種多樣的色光組合.再者，教師操作起來簡單，只需打開不同光源的控制開關并調節相應的亮度電位調節器即可實現不同色光的混合，無須再使用其他教學用具.

2.5.2 取材容易，結構簡單

所需的元件以及材料都是實驗室內或者日常生活中常見的物品.本教具的外部結構是一個長方體形狀，不僅輕巧方便，便于攜帶，而且將3種色光放在封閉的箱子內可以避免自然光的干擾.內部電路設計巧妙，利用洞洞板作為主控制板，將各條電路逐一進行連接，實現應有的功能.

2.5.3 效果明顯，使用安全

將白色亞克力板放置在燈帶背板正面前方6～8 cm處，利用白色亞克力板展示三原色的混合，效果清晰直觀.傳統的三色光源是采用白熾鎢燈泡加上紅、綠、藍三原色濾光片，而現階段許多教具是采用紅、綠、藍3種高亮LED作為光源，但是實踐證明，采用發光燈帶提供光源，相比于使用二極管提供的光源更明顯，效果更好.再者，本裝置采用220 V市電，經12 V電源適配器轉換后即進行供電，使用安全.

3 總結

諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授曾說過：“自制的儀器永遠比買來的好”.本研究針對八年級上冊物理教材第四章第5節中“色光的混合”這一小節的內容設計了制作工藝更為簡單、使用操作更為方便、演示效果更加明顯、可以將紅、綠、藍3種色光以不同比例混合的三原色合成演示教具.通過教師在課堂中的演示示范，學生不僅可以直觀地觀察到兩原色等量混合以及三原色等量混合的實驗現象，還可以根據實際的需要感受色光的非等量混合，加深學生對于色光合成規律的理解，激發學生想要繼續學習探索的欲望.