光的色散实验组合演示仪

郑洁琪 韩丽梅 王静

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

1 前言

“光的色散”是沪科版八年级物理第四章第4节内容，包括光的色散、光的混合和物体颜色3个部分教学内容．本节的教学内容与生活的关系密切，学生能真正地利用严谨、科学的知识去解释生活中梦幻的光现象．基于此，文献[1]提倡与学生进行探究式教学．教学中学生容易受到生活经验或者惯性思维的影响，而被自己的眼睛“欺骗”，文献[2]和文献[3]认为，设计本节教学，特别是安排内容和配套实验上应循序渐进，注重其逻辑性．教材只在光的色散部分安排了太阳光折射和三棱镜折射实验，这两个演示实验都是以太阳光作为光源，容易受到天气、教室位置等因素限制而影响实验效果．同时，光的混合和物体颜色两个部分的教学内容较为抽象，缺少对直观实验现象的观察．实验是物理的基础，为了迎合课堂教学的需要，不少先辈开始动手研究实验教具，文献[4]提出LED灯的光源在实验中能够达到更好的效果，文献[5]在实验教具中使用了暗盒，是克服环境光影响的一个巨大突破，文献[6]又利用较大的设施放大了光的色散实验现象．关于如何让学生通过实验现象更好、更直观地理解其中原理，相关的改进还在不断地讨论和进行中．

为了提高课堂教学效果，本文设计制作了一种光的色散演示仪，能模拟自然光以及多种色光环境，完成“光的色散”这一节教学内容的多个实验，该演示仪便携快捷，不受环境因素影响，操作方便，实验现象明显，能满足课堂教学要求．

2 仪器设计

2.1 仪器总体

光的色散组合演示仪如图1所示.其中三色小花为有色不透明物体，卡纸为PVC有色透明卡纸．

图1 光的色散组合演示仪及其配件材料

2.2 设计说明

(1)储物箱部分(三视图)

光的色散组合演示仪储物箱部分结构如图2所示.其中，①为三基色灯泡控制系统，②为三基色LED灯带(红、绿、蓝各1 m)，③为载物台，④为光屏，⑤为三基色灯带控制系统，⑥为推拉槽系统，⑦为面向教师设计的透光孔，⑧为面向学生设计的透光孔，⑨为三基色LED灯泡(红、绿、蓝各1个)系统，⑩分辨率为1080*720的USB摄像头．

在大部分光学实验中，环境光线对于实验的现象有比较大的影响，于是利用现成的储物箱，首先在储物箱内部贴一层黑色的卡纸用于隔绝箱子外部的光线，再覆盖上一层白色的卡纸来反射箱子内部的光线，以方便我们观察色光混合的结果．由于将电位器作为二端元件使用，可做变阻功能，故通过3个电位器分别串联合适的电阻和红、绿、蓝3种色灯，可实现对三基色灯的光强的控制，可得到经典三基色光斑混合实验结果，如图2的①．

(2)三基色LED灯系统

由于LED灯是发散光源，故包裹灯罩达到收束光线、获取平行光的效果．发出来的光线恰好能够在光屏上打出3个色光的光斑，光斑边界清晰，合成效果明显．图3中①为三基色LED灯泡的载物盘，②为连接盘，③为塑料灯罩(由两个方形塑料壳包裹而成，外面再封上黑色泡沫纸防止外部光源干扰)．

图3 三基色LED系统

(3)光屏系统

光屏系统如图4所示，前后遮光光屏可以保障箱内黑暗环境的纯净，在进行具体实验操作时可取出，可通过通光孔⑦⑧观察内部光线混合情况，最大程度地保障箱内光源纯净．在抽屉结构中寻找灵感，制作可前后移动一定距离的光屏系统④，通过箱外的控制杆⑥来调节投影仪到光屏的距离，以此来控制相同光强的变化．

(4)三基色灯带及控制系统

三基色灯带及控制系统如图5所示.在箱子的内部环绕三基色灯带，红、绿、蓝各1 m，如图5(a)中②．通过白纸对色光的反射以及漫反射使色光遍布整个箱内，以达到我们所需要的混合色光的效果．每一个控制器控制一种颜色的灯带如图5(b)中⑤(由上至下分别为红、绿、蓝)，可分别控制每种光源的强弱．

图5 三基色灯带及控制系统

(5)载物台系统

载物台系统如图6所示.利用轻便的雪弗板配合可调节松紧的螺丝来制作可调节的载物台③(Ⅲ为可调节角度的合页)．载物台上端可放置三基色灯筒⑨、三棱镜(图示Ⅰ和Ⅱ部分为三棱镜支架，详细结构如图)．载物台下端放置的连接电脑的摄像头⑩可将箱内的情况实时投放到教学投影仪上．

(6)其他配件

图7(a)～(f)分别为红、绿激光笔，红色透明卡纸板(对比款)，黑色挡光板，投屏软件(101教育PPT)，黑色底座的红绿蓝三色不透明卡纸花，光学三棱镜.

3 在物理教学中的使用方法

实验一：七彩箱子

将灯带控制器接上电源，打开红光，让学生通过木箱侧面的透光孔观察到箱子内红色光，如图8(a)所示，实验现象如图8(b)所示．

现象：混入一点点绿光，箱子内颜色变为橙色，混入较多绿光，箱子内呈现黄色；关闭红光，箱子内出现绿色，混入一点点蓝光，箱子内变为靛色．关闭绿光，箱子内变为蓝色，混入一点点红光，箱子内变为紫色(导入实验，引起探究欲望)．

实验二：牛顿经典色散实验

打开左侧光屏，将三棱镜放置在卡槽上，调整到合适位置，如图9(a)所示．盖上翻盖，利用强光手电筒从透光孔打入强光，通过摄像头观察在箱子内部光的色散情况，如图9(b)所示，得到结论——白光经过三棱镜可分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种色光．

实验三：光的三基色(色光的合成)

打开电池电源，将镜筒放置在载物台上并且调试为合适的角度．旋转电位器按钮使光屏上出现红、绿、蓝3个颜色的光斑，如图10所示．

(1)分别通过调节光屏的位置、灯的亮度、不同颜色的组合等来观察3个光斑交界处的颜色变化.

结论：不同比例、不同组合的三基色混合会改变混合光的颜色．

(2)升级实验：通过抽拉杆改变光屏到摄像头的距离来改变光强的同步变化.

结论：同比例地改变三基色光的强度不会造成混合光颜色的变化，只会造成亮度的变化．

图10 色光的合成

实验四：不透明物体的颜色

记住小花在自然光下的颜色顺序分别为红、绿、蓝，如图11(a)所示．

(1)将三基色卡纸花放置在光屏的前面，盖上盖子使整个箱子内部环境保持黑暗，打开红色灯带，观察小花的颜色现象，如图11(b)所示；关闭红色灯带，打开绿色灯带，观察小花的颜色现象，如图11(c)所示；关闭绿色灯带，打开蓝色灯带，观察小花的颜色现象，如图11(d)所示．得到结论——箱子中的小花只反射和自己颜色相同的光，若箱子中没有和自己颜色相同的部分，那便全部吸收不反光，呈现黑色．

(2)考虑生活中大多数光为混合光，于是，升级实验创造至少两个基色的混合光系统，例如：分别尝试红绿组合的橙黄光、绿蓝组合的靛光、蓝红组合的紫光下小花的颜色现象，得出结论——在混合色光环境中，小花分别反射与自己颜色相同的部分．若环境中没有与自己颜色相同的成分，即完全吸收，不反射任何色光，呈现黑色．实验现象如图11(e)、(f)、(g)所示.

该设计既出现了与物理原理相符合的实验现象，又排除了偶然性，贴近生活．

结论：不透明物体的颜色由反射的色光所决定，什么颜色反射什么色光，而吸收其他所有色光．

实验五:透明物体的颜色

将透明红色对比板放置在光屏前(一半为透明亚克力对照组，一半为红色透明PVC板)，通过左侧透光孔分别用红色激光笔、绿色激光笔打在对比板的两个不同区域，观察两种色光下背景光屏是否亮起(激光笔的色光能够透射过去的情况下，背景光屏能够亮起来，被摄像头所接收到；激光笔的色光不能够透射的情况下，背景光屏一片黑暗，该区域一片黑暗)．得到结论——透明物体的颜色由透射的色光所决定，什么颜色就透射什么色光，而吸收其他所有色光．实验如图12所示.

4 使用效果

本套色光组合演示仪，结合课标要求、对教材的深入研究和一线教师身上的一些经验进行设计和改进，糅合沪科版光的色散这一节的教学需求，进行一个整体、便利的设计．教具主要是针对白光的分解、色光的合成、不透明物体的颜色、透明物体的颜色四大内容进行设计，涵盖全面，安全、便利、经济，并且具有一定的启发性，能够真正地去通过科学的现象来纠正学生由于惯性思维所产生的一些错误认识，实验效果明显，直观地通过现象来说服学生，做到有理可依，培养学生良好的探究精神以及实事求是的科学态度．