自制数字化实验教具探究视觉暂留

2024-06-09徐新兵张志岩项淳

科学导报 2024年35期

徐新兵　张志岩　项淳

利用可调电阻调节电机转速，由电机带动磁铁转动，使霍尔开关记录磁铁扰动频率，扰动四只干簧管，其中一只控制白色发光二极管，另三只控制三原色光二极管闪烁，并投射到显示区上进行交叠，进行光的合成。

1.视觉暂留现象

在当前物理教学中，常常运用三原色旋转盘或七原色旋转盘来进行高速旋转演示，利用人眼的视觉暂留效应可以将反射光合成为白光。据书籍介绍，通常人眼的视觉暂留时间介于0.1s～0.4s之间。而现有教具只能定性研究视觉暂留现象。因此制作一台能够进行视觉暂留定量研究的仪器。

2.研究过程

为了符合学生认知特点，采用了学生更容易观察理解的机械转动方式。使用调速电机带动磁铁对霍尔开关进行扰动以显示扰动的频率，同时，通过相同的扰动方式控制发光体的发光，观察视觉暂留和光的合成现象。

2.1器材的选取

器材一：12v全铜线的直流电机，马达12齿，反复验证，该电机转速均匀。

器材二：通过可调电阻来改变电机中的电流，从而改变电机的转速。利用磁铁的机械旋转方式来干扰霍尔开关，通过连接频率计可以显示磁铁的旋转频率。

器材三：选择干簧管作为控制发光体闪烁的控制元件。

器材四：用12V电源给电机与频率计供电，而发光二极管用普通电池供电。

2.2电路的设计

由于要用到不同的电压值，所以整个电路分成12V供电与3V供电两个部分，分割成两个独立的电路。

图1：电机调速与频率测定电路

图2：闪光控制与显示电路

图3：机箱面板布局图

注：1为12V电源开关，对应K1；2为调速电阻旋钮；3为频率计；4为电源开关，对应K2；5为白光控制开关，对应K3；6为白光闪光显示区，外部安装乳白色半透明光罩，内部安装白色发光二极管；7为红色闪光控制开关，对应K4；8为绿色闪光控制开关，对应K5；9为蓝色闪光控制开关，对应K6；10为三色光闪光显示区域，外部安装乳白色半透明光罩，内部安装三原色发光二极管。

2.3元件的整体布排

机箱采用现成的机箱外壳，面板上主要由磁铁扰动控制与频率显示区域，闪光控制与显示区域两部分组成，在机箱顶部安装转动与传感元件。

左侧由1、2、3组成磁铁扰动控制与频率显示区域。由1控制k1，由2控制可调电阻，由3显示磁铁扰动频率。

右侧由4～10组成闪光控制与显示区域，由4控制k2，5控制k3，由7、8、9分别控制红、绿、蓝色闪光的通断，然后在三色光闪光显示区10上进行显示。

机箱顶部按设计要求安装电机，电机上安装带磁铁的横杆，在周边安装霍尔开关等5个传感元件，并安装上保护罩。

图4：机箱顶部元件布排图

注：11为电动机，12为磁铁，13为霍尔开关，14为控制白色闪光的干簧管，15为控制红色闪光的干簧管，16为控制绿色闪光的干簧管，17为控制蓝色闪光的干簧管，18为保护罩。

3.工作原理

利用调速电机控制转动速度，在电机轴上装一根横杆，两端各装一块磁铁。电机转动时，通过霍尔开关显示出转动的频率为电机实际转速2倍的频率值，另装一干簧管，连接一只白色的发光二极管，那么电机每转动一周同样二次扰动干簧管使发光二极管电路导通，则显示的频率值与观察到发光二极管闪光的频率是同步的，通过电机转动速度的变化，我们可以看到频率逐渐加快，到一定频率时感觉不到闪动，说明到达了我们视觉暂留的临界点，那样可以定量地知道视觉暂留的时间。