自制光的合成演示仪

陈丹蓉 郑渊方

摘   要：为解决现有教具无法演示非等量色光的混合，设计了光的合成演示仪。用摆放角度可调节的玻璃纸达成色光的非等量混合，演示效果明显。辅以Photoshop软件，用RGB值准确描述色光的颜色，帮助学生分辨不同色光，让学生直观感受光的合成现象，更全面地理解光的三原色原理。

關键词：三原色;光的合成;自制教具

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）1-0054-2

1    引  言

光现象是自然界中最基本的物理现象，而光的三原色是初中物理教材中最核心的内容之一。在光的三原色教学中，学生往往囿于这部分知识点的抽象而感到难以理解，实际的教学效果不太理想。通过教学实践和文献分析我们发现，光的三原色在教学中存在的最大阻碍是学生对光的合成现象没有直观体验。那么，如何改进教学才能让学生更好地掌握这一知识呢？杨振宁先生曾说过：“物理学最重要的部分是与现象有关的，绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源”[1]。因此，如果能将抽象的知识上升为可视的实验现象，将学生的思维由抽象引向具象，由此形成的教学方式将更加符合学生的认知规律，从而达成更好的教学效果。

通过文献调查我们发现已有的此类教具并不多，且多数只能演示色光的等量混合，无法演示光的非等量混合。另外，现有教具的制作比较复杂，使得许多教师望而却步，教学仅停留于讲授或代以精美课件，学生仍缺乏对光的合成这一物理现象的直观体验[2]。因此，我们自制了光的合成演示仪，既能让学生通过实验感受色光的混合，又解决了现有教具无法演示色光的非等量混合的缺憾。

2    原有光的合成演示仪

国内现行的七版初中物理教材，有三个版本对光的三原色进行了实验验证，这三个版本教材的验证方式有所差别，各有长短[3]。北师大版利用“感觉后效”快速旋转七色圆形纸板让学生观察这几种色光组成了白光;沪科版引导学生用“水三棱镜”做太阳光的色散实验;教科版引导学生利用计算机用红、绿、蓝三种颜色调出不同的颜色[3]。这三个实验分别从色光的合成与分解验证了光的三原色，但仍有不足：北师大版的多色圆形纸板实验和沪科版的“水三棱镜”都只能验证光的色散原理，而无法直接验证三原色可合成白光;教科版利用计算机的调色板，通过设定RGB值获取不同颜色能较好地说明光的三原色原理，但学生仍属间接体验实验现象，学生对计算机的真正作用产生质疑，教学效果也不太理想。

其他现有的自制教具，大多数是通过罩有彩色玻璃纸的手电筒或彩色发光二极管发出红、绿、蓝三种色光，然后按照1：1：1的配比混合出不同色光。这类教具演示效果较好，学生也易理解。但它只能演示色光的等量混合，无法验证色光的非等量混合，而色光的非等量混合对光的三原色教学又是不可或缺的。为此，我们设计了一种新的光的合成演示仪。

3    自制光的合成演示仪

3.1    仪器原理

如图1所示，为获得红、绿、蓝三原色，可以让白光通过彩色透明玻璃纸。与玻璃纸颜色不同的光会被吸收，只有与玻璃纸颜色相同的光会被透过[4]。例如，白光通过红色玻璃纸后获得红光，通过绿色玻璃纸后获得绿光，通过蓝色玻璃纸后获得蓝光。

为了更好地观察实验现象，选用白色A4纸作光屏。白色A4纸属不透明物体，它之所以呈现白色是因为它反射了所有颜色的可见光，从而能将混合后的色光原原本本地反射进人眼，而不对实验结果产生干扰因素。

为获得色光的非等量混合，采用可调节摆放角度的玻璃纸。根据光的波粒二象性，随着玻璃纸摆放角度的不同，光从玻璃纸出发到达光屏的路程不同，光所走过的路程越长，到达光屏的光子越少，光的亮度也越小。另外，光传播过程伴随的衍射现象也是形成色光的不等量混合的重要原因。为了获得更好的实验效果，我们可以适当增大光屏表面的粗糙程度或加大玻璃纸与光屏的距离。

利用Photoshop计算机软件辅助颜色判断。由于人类对颜色的分辨能力因人而异，并且有的颜色之间仅有微小差别，导致我们无法准确判断光的颜色。为了准确描述实验结果、确保实验的严谨性，我们利用Photoshop的GRB模式帮助我们辨别不同颜色，不同颜色的光将显示不同的GRB值。

3.2    仪器制作和使用

3.2.1    仪器制作

如图2所示，光源选用功率为6 W、长度为40 cm的长条型灯管，光源长度与玻璃纸摆件组的总长度相近为宜;玻璃纸摆件的边框用废弃木夹制成，可用AB胶粘合;光屏采用白色A4纸，可根据实验效果用牙刷对光屏表面做粗糙处理。

将这三个组件摆放在同一展示板上，组件的摆放顺序依次是：长条状白色光源，玻璃纸摆件组，白色光屏。

3.2.2    仪器使用

第一步，预设玻璃纸摆件角度。我们采用的玻璃纸摆放方式为红玻璃纸和蓝玻璃纸呈90度角（合成紫光）、蓝玻璃纸平行摆放、蓝玻璃纸和绿玻璃纸呈90度角（合成青色光）、绿玻璃纸平行摆放、红玻璃纸和绿玻璃纸呈90度角（合成黄光和橙光）、红玻璃纸平行摆放。

第二步，打开光源，观察实验现象。当光源被打开时，学生随即能够在光屏上看到色彩绚烂的彩虹条，实验效果十分明显。

第三步，拍照取样，辅以Photoshop软件分析实验结果。将照片上传至计算机，打开Photoshop的RGB模式，移动鼠标时鼠标右下角便能实时显示鼠标所在位置对应颜色的RGB值。

4    结束语

自制的色光合成演示仪结构简单，制作及操作简便，易于推广和普及;演示现象明显，能确实、有效地辅助光的合成教学。该演示仪巧妙地辅以计算机Photoshop软件RGB值准确描述光的颜色，可以使学生对实验结果的分析更清晰、准确，提高实验的严谨性，突显物理学科的魅力。另外，色光合成演示仪既可以由教师进行演示，也可以将其发放给学生进行分组实验，教师甚至可以向学生发起挑战——探究“玻璃纸摆放角度与所合成色光的RGB值之间的关系”等，教师应尽可能地让学生参与教学，着实促进学生物理核心素养的培养。

参考文献：

[1]解世雄.物理课堂教学设计的几点理论思考[J].课程·教材·教法，2008，28（10）59-65.

[2]王辛辛.自制“光的三原色合成演示仪”[J].中学物理教学参考，2013，42（4）：67-68.

[3]丁红.初中物理各版本教材“三原色”内容分析[J].教学与管理，2019（3）：90-93.

[4]饶进.从物理与美术色彩的呈现原理分析三原色[J].中学物理教学参考，2018，47（1）：88-89.

（栏目编辑    王柏庐）