大学文科物理实验探索与实践——电光源特性研究

林　珊，李俊庆，赵海发

(哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)



大学文科物理实验探索与实践——电光源特性研究

林珊，李俊庆，赵海发

(哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：针对“光环境污染”和“学习光源的合理选择”等问题新开设了大学文科物理实验“电光源的光谱与频闪特性研究”. 具体介绍了实验的设计理念、主要研究内容及实验结果. 结合教学经验，指出贴近生活的研究对象、简单的实验操作、更具趣味性和直观性的实验结果、以及高科技手段辅助等，这些措施可以在文科物理实验教学中达到满意的教学效果.

关键词：文科物理实验；电光源；光谱；频闪；波动深度

1引言

环境污染(包括光环境污染)是我国近年来随着经济高速发展而出现的亟待解决的问题[6-7]. 比如：节能灯、LED等已经取代常规白炽灯，那么与前者相比，这些光源对人眼就一定是健康的吗？如何合理选择照明光源是无法回避的现实问题，而文科学生对此普遍有更多的关注. 针对这一特点，开设了“电光源的光谱与频闪特性研究”实验，旨在引导学生学会评价及选择不同光源，避免光污染，同时纠正学生长期以来的一些错误认识. 在实验设计中，遵循“趣味直观、操作简单、深入浅出、结合生活与高科技”的设计理念，力求实验内容贴近生活，实验生动、有趣，所得到的实验结果能启发学生对生活中的常见现象进行思考. 本文以具体实验内容为主线，结合教学经验，阐述如何实现这一设计理念，从而达到满意的教学效果.

2研究对象要贴近生活

文科生通常对实验中科学研究客体的感觉是陌生的、深奥而又神秘的，甚至有距离感，实验课上其心里有抵触和畏惧情绪实属正常. 本实验则提供了市面上几类常见的可发“白光”的电光源作为研究对象，包括白炽灯、护眼灯(日光灯)、家用节能灯(紧凑型荧光灯)、手电筒(LED灯)和低压汞灯，这样使得学生在实验时会对这些贴近生活的研究对象不再陌生，会感到很亲切，自然也就不再有畏难甚至抵触情绪了.

3实验内容要设计得更具趣味性而实验结果要更具直观性

3.1　光谱展示与研究

电光源从传统的白炽灯、日光灯，发展到目前的LED灯、节能灯(紧凑型荧光灯)、护眼灯等. 那么，这些高新科技产品的特点是什么？如何选择学习用的照明光源？接触到的光源是否环保？是否有利于身体健康？通过该实验学生就可以回答这些与生活息息相关的问题，这既能引起文科学生的学习兴趣，又能使学生学以致用，应用这些常识使其在生活中受益.

仅凭肉眼，学生们只能感觉到光源的亮度和色调的不同，而利用三棱镜和分光计，通过折射对复光分解，学生们可观测到不同光源呈现的不同彩色谱线——光谱. 图1给出了实验中学生观测到的几种常见发白光的光源光谱. 实验中看到的奇幻的、色彩斑斓的、犹如“彩虹”的实验现象，不仅引起了文科学生的浓厚学习兴趣，轻而易举地揭开了这些高科技光源的神秘面纱，也形象生动地印证了虽然几种光源都是发白光的，但所谓的白光其实是复合光，是由多种颜色的可见光按一定的强度和比例混合成，由于发光机制不同，光谱线(或谱带)的颜色和条数也不尽相同，学生看到：

图1　用三棱镜分光后拍摄的各种白光光谱

1)白炽灯光谱在可见光的范围内是连续谱，颜色是七色，属于热致发光，此类光谱还有太阳光、烛光灯.

2)白光LED其谱为分立窄谱带，谱带只有红、绿和蓝三基色，属于固体发光.

3)日光灯、节能灯和低压汞灯属于气体放电发光，由于内部封装了汞蒸气，光谱含有分立谱线. 日光灯和节能灯分别采用卤磷酸钙荧光粉发光和稀土三基色荧光粉发光，后者的发光效率更高，因此也更节能. 而由低压汞灯的光谱可以明显看到5条分立谱线，分别为黄、绿、青、蓝和紫色，对应的是汞原子的特征谱线.

由图3可见，RLS算法误差收敛曲线在约20次后达到收敛，且收敛误差<0.01数量级。对比两种算法,可以看出RLS算法的收敛速度和收敛误差明显好于LMS算法。

通过光谱比较，学生们可从中体会到各种光源的异同点，了解其发光机制. 感兴趣的学生还可以进一步了解其他相关实验，如利用三基色LED灯进行色合成及匹配实验等[8].

3.2　频闪展示与研究

提到光源“频闪”学生们可能觉得抽象、陌生，但如果让他们利用手机里的照相或摄像模式对准电脑显示器、台灯或电视屏幕观察，学生们会惊讶地发现这些点亮的光源是闪烁的. 接下来学生们就会提出一系列问题：为什么光源会闪烁？为什么肉眼察觉不到？频闪现象对生活有什么影响？如何利用或者避免频闪现象？

为了深刻体会频闪的含义，专门设计了用黑匣子观测临界闪烁频率的实验. 用信号发生器驱动黑匣子里1盏LED灯发光，当频率很低时，可轻易地分辨出光源一亮一暗明显闪烁；当频率增加时，光源由粗闪变为细闪，当频率继续增大到某一数值，由于人眼的视觉暂留特性，学生感受到的不再是闪烁光，而是连续的光，这时对应的频率即为临界闪烁频率. 如果提高背景光(点亮黑匣子里另一盏LED灯)，会发现临界闪烁频率减小. 这是因为临界闪烁频率也与一些因素(如光源照射强度、背景光颜色强度、观察者身体因素等)有关，其理论参考值为45.8 Hz.

通过以上简单实验，学生们就会明白普通日光灯是以频率50 Hz(1 s变化50次)、电压220 V的正弦交流电为电源，其闪烁频率是100 Hz的道理；也知道了正因为视觉暂留效应，电影(24帧/s和24次/s遮挡，传送频率为48 Hz)和电视(25帧/s，采用隔行扫描，传送频率为50 Hz)，这些闪烁播放的图像看起来是连续的原因.

3.3　波动深度的研究

文科学生特别关心眼睛疲劳和对电光源的选择标准. 学生们常有这样的体会：在宽敞明亮的自习室通常比寝室内台灯下看书学习眼睛要舒服不易疲劳. 面对市面上林林总总的打着高科技旗号的台灯产品，如何判断和选择这些产品呢？

其实，最理想的光线是变化极其缓慢的自然光. 对于稳定的照明光线，眼睛的瞳孔调节相对固定，调节量很小，不容易引起眼部光学系统损伤和视觉疲劳；对于不稳定的光线，学习时眼睛的瞳孔需要频繁调节，调节量大，容易引起眼部光学系统损伤和视觉疲劳[9].

为让学生知道光源的好坏不仅是由平均的发光强度来判断的，更严格来讲，应由波动深度来判断，波动深度可表示光源闪烁的程度，那么何谓波动深度呢？需要学生理解其定义及内涵，要学生知道其形式可表示为

(1)

其中:Imax为最亮时的光强，Imin为最暗时的光强[10]，H为明暗光强的变化占最大光强的百分比数，如图2所示. 波动深度的测量可利用示波器实现[11]，如图3所示. 希望学生知道频闪的波动深度小于5% 的光源才被认为是理想的照明光源[12].

图2　波动深度示意图

图3　波动深度测量装置图

为了更好地体会波动深度的意义及影响其变化的因素，专门设计了用LED灯模拟波动深度测量的实验内容，图4展示了部分学生实验观测到的结果. 模拟黑匣子利用直流和交流信号源驱动2盏LED灯发光，可通过调节直流和交流信号幅值，模拟波动深度H为0%，50%和100% 3种情况. 可以看到，屏幕上方的直线(或曲线)为测量曲线，下方的直线为地线(即对应V=0 mV). 学生只需调节直流电压大小和交流信号的幅值(VP-P)，即可体会到[13]：

1)光信号全部为直流成分则H=0%，光源强度无波动变化；当光信号全部为交流成分则H=100%，光源强度波动变化最大.

2)适当调节直流电压和交流电压可以达到H=50%.

可见所谓“不闪”即波动深度为零，指的是采用直流电压供电；如果电压中有交流成分，尽量减小交流信号的幅值，也可以达到降低波动深度的目的.

(a) H=0%

(b) H=100%

(c) H=50%图4　观测波动深度

利用图3所示的实验装置，可以让学生实际测量不同光源的波动深度. 图5为白炽灯波动深度的测量结果. 计算可知白炽灯的波动深度约为30%.

图5　观测白炽灯的波动深度

需要注意的是，光源摆放位置、高度以及室内背景光源都可能影响波动深度的测量结果. 通过示波器图像，学生们可直观看到肉眼看似稳定的光源其实是周期性明暗变化的. 实际生活中，可以通过提高背景光的亮度，来达到降低波动深度的目的.

4实验仪器要操作简单

该实验涉及到的基本实验仪器是分光计和示波器. 以前针对分光计开设了“分光计的调节和三棱镜顶角测定实验”，但学生们普遍反映实验仪器调节枯燥、繁琐、难度大，调节部分占去了大半时间，冲淡了仪器使用部分的内容，喧宾夺主，导致实验内容枯燥乏味，而实验结束后学生很难对仪器使用留下深刻印象. 针对这种情况，该实验对分光计只做简单的调节要求，上课前由教师大致调好，课上学生只需调节转台和望远镜位置即可观察到彩色谱线.

为了使频闪和波动深度的观测简单，自制了黑匣子，其顶盖可抽拉模拟暗室避免室内光源干扰，侧面留有视窗，以便学生直接体验波动的影响. 黑匣子如图6所示，其内部主要包括2个LED光源和光信号探测元件硅光电池. 2盏LED灯，分别由外部直流电源和交流电源驱动，装置可用来模拟频闪和波动深度. 涉及学生调节的只有几个旋钮.

图6　黑匣子外观及内部结构图

这些简化后的实验操作，使文科学生更容易上手，增加了学生的成就感及实验热情，使学生的注意力集中在实验的观察和结果的分析上.

5要展示高科技手段辅助的实验结果

为了使学生了解科学前沿，进一步增强实验的科学性，我们演示了科研上利用便携式微型光纤光谱仪测量出的上述光源频谱，如图7所示. 由于光谱仪采用分光元件为光栅，波长也经过线性校准，谱线测量范围宽，能更准确地反映光谱特性，因此，学生可以进一步在图7中看到紫外和红外区域的谱图，而图1只显示了可见光的光谱. 例如：图7中日光灯和汞灯的紫外区域谱线可准确辨识，而在图1中却不可分辨；图7中白炽灯的红外区域仍有光谱.

图7　用便携式光纤光谱仪直接测量的各种白光光谱

6要深入浅出地分析、理解与引申实验结果

通过光谱实验，增强了学生环保意识，生活中注意避免含汞灯泡的随意丢弃；提高了学生自身防护的科学意识，尽量多晒太阳光，避免长期在谱线缺失的光源下学习，远离紫外辐射这类“光污染”[5]；拉近了学生与高科技产品的距离，了解了生活中的一些科技词汇，如“红外理疗”、“紫外灭菌”等.

启发学生思考一些贴近生活的小实验，例如：没有三棱镜，可用电脑光盘分光得到光源光谱；水滴滴在电脑显示器上(或手机屏幕，或电视屏幕)，可以看到红、绿、蓝三基色，从而体会白光是复合光的道理.

通过频闪实验，启发学生思考为什么高速行驶的车轮有时看起来不转或倒转；如果晃动铅笔，在太阳光和日光灯下，看到的“虚影”有什么不同.

通过波动深度的研究，使学生了解人眼疲劳的来源，培养其个人用眼卫生，保护视力.

7结束语

本实验内容丰富有趣，实验仪器简单易操作，实验结果具体直观，已在文科本科生中进行了一学期教学试点，达到了令人满意的效果，使文科学生理解了所谓光源发白光的原理，及各种光源的发光特点；在学习生活中学会判断及利用不同光源，避免光污染；纠正了学生长期以来的一些错误认识：诸如认为光源发光越白越亮越是好光源，白光源和太阳光一样是连续谱，光源缺谱线对身体无害等；并且在实验中掌握了分光计和示波器等基本实验仪器的使用，提高了动手能力. 从不同的高科技产品光源的判断、选择，到个人用眼卫生的培养；从增强环保意识到远离光环境污染，这些知识的学习对学生都是大有益处的. 本实验可供相关高校文科类物理实验教学参考.

参考文献：

[1]方兴安,胡建华. 文科大学物理实验开设的实践与思考[J]. 物理实验，2004，24(7):21-23.

[2]汪兰，夏娴，殷实. 在物理实验教学中培养文科类人才的理性思维[J]. 物理与工程, 2007，17(1):49-50.

[3]王勇,卢佃清,王莉，等. 开设文科物理的实践与探索[J]. 实验室研究与探索, 2009,28(12):142-144.

[4]章羽,钱锋,戴玉蓉. 文科物理实验教学实践探索[J]. 实验技术与管理,2012,29(3):144-146.

[5]牟海维,金少先,王世英. 改革物理实验教学提高学生综合素质[J]. 实验室研究与探索,2000,19(4):14-16.

[6]梁红山. 光污染对人体的危害及预防[J]. 劳动医学,2001,18(4):243.

[7]王亚军. 光污染及其防治[J]. 安全与环境学报, 2004,4(1):56-58.

[8]麻佳琪,张孟杨，杨胡江，等. 基于三基色LED的色匹配实验[J]. 物理实验,2014,34(4):42-48.

[9]余希湖,蒋涌潮. 光源闪烁对视觉影响的研究[J]. 照明工程学报,1996,7(2):22-26.

[10]曾丽梅,苏昌林. 电光源频闪测试技术研究[J]. 中国测试,2012,38(3):34-38.

[11]马世红,童培雄,赵在忠. 文科物理实验[M]. 北京：高等教育出版社,2007.

[12]杨光. 学习照明的频闪及其影响因素探讨[J]. 中国照明电器,2011(3):17-22.

[13]杨光. 基于不同驱动条件下白光LED照明频闪问题的研究[J]. 照明工程学报，2011,22(6):8-13.

[责任编辑：尹冬梅]

Exploration and practice of physics experiments for undergraduates of liberal arts: Study on electrical light sources

LIN Shan， LI Jun-qing， ZHAO Hai-fa

(Department of Physics， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001, China)

Abstract:We opened a physics experiment, study on the spectrum and strobe features of electrical light sources, for undergraduates of liberal arts, concerning the problems of visual pollution and quality assurance of light sources. The design ideas, experiments and results were introduced in detail. The exploration and practice of the first-year teaching showed that the positive effects on physics experiment for undergraduates of liberal arts originated from the objects in daily life, simple experiments, fun and intuitive results and high-tech assistance.

Key words:arts physics experiment; electrical light source; spectrum; strobe; fluctuation depth

中图分类号：G642.423

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)01-0010-05

通信作者：李俊庆(1963-)，男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨工业大学物理系教授，博士，从事物理光学及物理实验教学与研究.

作者简介：林珊(1978-)，女，吉林省吉林市人，哈尔滨工业大学物理系工程师，博士，从事凝聚态物理及物理实验教学与研究.

收稿日期：2014-05-05；修改日期：2014-07-18

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

资助项目：黑龙江省高等教育教学改革项目(No.JG2012010151); “985工程”哈尔滨工业大学本科生2014教学改革建设项目(No.HITBKJG2014-phys);中央高校基本科研业务费专项资助(No.HIT.NSRIT.2013084)