用平板玻璃反射与透射实现光的合成

黄 柯 颜 茜

（楚雄师范学院物理与电子科学学院，云南 楚雄 675000）

“色光的混合”是人教版8年级物理上册第4章第5节“光的色散”中的重要内容之一.教学中最关键的是要能通过色光的混合实验，让学生实际观察到光的合成现象.这样才能真正理解光的三原色原理，因此，设计并成功演示光的合成实验对本节教学至关重要.

光的合成实验方法多样，[1-6]常见的方法是将通过各种途径获得的三原色光同时投射到白屏上直接混合合成.获得三原色光的途径各异，有的是让白光通过红、绿、蓝彩色透明滤色片而获得；有的是用能单独射出红、绿、蓝光的3只电筒获得；还有的演示仪是在其圆筒形灯罩内线路板上，在等边三角形3个顶点分别装有红、绿、蓝发光二极管，由其直接射出三原色光，但以上这类实验不足之处是由于出射光强固定，因而只能演示等量色光混合.另一类型光的合成演示仪，是通过设计的单片机或电位器控制电路，对红、绿、蓝LED的输出亮度进行调节，以合成不同的颜色.[5，6]这类演示仪演示效果非常好，但这需要进行专门的电路设计才能实现.本文另辟蹊径，设计了一种光的合成的新方法，是以红、绿、蓝三原色直流LED灯泡作为光源，用平板玻璃将反射与透射的色光相混合合成，并且还可演示等量或非等量色光混合.此方法所用器材简单、操作简便、现象可见度高，利于观察.

1 实验方案

1.1 实验原理和方法

红、绿、蓝光为基色光，称为光的三原色，利用三原色按不同比例混合而获得彩色的方法称为混色法，[7]图1所示为三原色的相加混色图.

图1 相加混色法

实验装置及光路图如图2-图4所示.选取一块平板玻璃，从红、绿、蓝三原色LED灯泡中任选不同颜色的两只灯泡.以选红灯与绿灯为例说明，将红灯置于玻璃板前，绿灯置于板后，因平板玻璃表面平整、光洁，既是一块平面镜，能反射光，使置于板前的红灯经反射在板后成一虚像，又能使光折射透过玻璃板，透射出板后绿灯的实体.实验中，观察者在玻璃板前，边观察、边移动调节板后绿灯位置，当绿灯刚好移至红灯像的位置时，绿灯的实体与红灯的虚像重叠在同一位置，则可看到在重叠区域红、绿两种色光相混合合成为黄色，其实质是经玻璃板透射的绿光与反射的红光相混合合成出黄光.

图2 光的合成实验装置实物图

图3 光的合成实验装置及光路侧视图

图4 光的合成实验装置及光路正视图

反之，亦可将上述置于板前与板后的两灯对调位置，实验结果与之前相同.

本实验方案是采用空间混合方式，使玻璃板后灯的实体与玻璃板反射所成灯的虚像重叠在同一空间位置而合成光，因为只有此二灯的实体与虚像重叠时才能混色合成，因此，首先，只有当玻璃板后的灯刚好处于板前灯的虚像位置时，才能呈现合成光，其余位置则无法重叠合成；其次，由于LED灯泡为一球状光源，置于板前或板后的LED灯泡发出的光，被玻璃板反射或透射后的光线都是以灯泡球心为中心向四面八方发出的发散光[在图3（b）和图4（b）两示意图中，仅画出了垂直于玻璃板的部分反射光线与透射光线]，因此，观察者在板前从各个角度均能观察到板前灯的虚像和板后灯的实体，同时也能在板前从各个角度观察到重叠区域所合成的色光.

采用上述方法，只需选择替换置于板前和板后的两只不同颜色的LED灯泡，就可以合成其他颜色的各种色光，如青、品红.

1.2 实验器材

实验器材：深色镀膜平玻璃板1块，板长25.00cm、宽23.50cm、厚3.70cm，需采用镀膜玻璃，因其镀有半反射膜，才能保证成清晰度高的像；功率分别为1W和5W的红、绿、蓝三原色各色LED灯泡各1只.LED灯泡结构如图5所示，由LED发光体与灯罩、电路、开关、干电池组成，白色塑料灯罩直径均为4.5cm，由2节1.5V干电池供电.

图5 LED灯泡结构示意图

2 结果及分析

2.1 合成黄、品红、青3种色光的实验方案

以红、绿、蓝三原色LED灯泡为光源，任选其中两色LED灯泡，分别置于玻璃板之前、后两侧，在玻璃板前观察并适当移动板后灯的位置，直至使板后灯的实体与板前灯的虚像重叠，在二者重叠区，由两种色光相混合，分别合成了黄、品红、青3种色光.具体如下：如图6所示，取红灯和绿灯，则在绿灯的实体与红灯的虚像重叠区，由透射的绿光与反射的红光相混合而得黄光；如图7所示，取红灯和蓝灯，则在蓝灯的实体与红灯的虚像重叠区，由透射的蓝光与反射的红光相混合而得品红光；如图8所示，取绿灯与蓝灯，则在蓝灯的实体与绿灯的虚像重叠区，由透射的蓝光与反射的绿光相混合而得青光.

图6 用红灯与绿灯合成黄光

图7 用红灯与蓝灯合成品红光示意图

图8 用绿灯与蓝灯合成青光示意图

2.2 合成白光的实验方案

白光的合成是光的合成实验的重要内容.据相加混色法原理，需将红、绿、蓝三种色光同时相混合才能合成白光，但如果同时取红、绿、蓝3个灯，由于3个灯只能分居于玻璃板的前、后两侧，因而3个灯中总会有两个灯位于玻璃板同侧，而同侧的两灯彼此间因相互遮挡，最终会使红、绿、蓝3个灯的光无法同时重叠而合成白光，即按照本实验方案合成色光，每次只能同时取两个灯，而不能同时取3个灯.因此，采用本实验方案合成白光，需分两步完成.第1步，先将红灯与绿灯组合混色制作1个黄灯，即先完成红光与绿光混合合成黄光.黄灯制作方法如下：取功率同为5W的红、绿LED灯泡各1只，先将两灯罩打开，将其中绿灯的LED发光体取出后放入红灯灯罩中，叠放于红灯LED发光体之上，红、绿两只LED发光体各自的控制电路及开关均不变，仍可独立控制.当闭合其中一个开关，则此灯发出红光或绿光，当红、绿LED发光体的两控制开关同时打开，则看到因红光与绿光相混合此灯成为了黄灯.再取制作的黄灯与蓝灯参与实验，完成蓝光与黄光混合合成白光，如图9所示，在玻璃板前放置制作的黄灯，再在玻璃板后黄灯虚像的位置放置蓝灯，此时在玻璃板前即可看到蓝灯与制作黄灯的像在重叠部分合成了白光.

图9 用制作黄灯与蓝灯合成白光示意图

按照同样的方法，也可采用如图10所示方法，先将功率相同的红灯与蓝灯组合，混色制作一个品红灯，然后再取制作的品红灯与绿灯参与实验而合成白光；还可以如图11所示，先将功率相同的绿灯与蓝灯组合，混色制作一个青灯，然后再取制作的青灯与红灯参与实验而合成白光.

图10 用制作品红灯与绿灯合成白光示意图

图11 用制作青灯与红灯合成白光示意图

2.3 演示等量色光混合与非等量色光混合

采用本实验方法，还可进一步探究各色光混合比例不同所引起的合成色光颜色的深浅差异.由于灯泡的发光光强与灯泡电功率成正比，控制住灯泡的电功率，也就控制了光强，因此，通过选择参与合成的两单色LED灯泡的功率，则可控制相混合的两种基色光的光强比例，从而可演示等量色光混合或非等量色光混合.以红光与绿光合成黄光为例，若选取红灯功率为5W而绿灯功率也同为5W，则可演示等量色光混合；若选取红灯功率为5W而绿灯功率为1W，则可演示非等量色光混合.将这两种情形所合成的黄光作对比，经肉眼识别可见，等量色光混合合成的黄光色调更深，偏橙红色；而非等量色光混合合成的黄光色调则更浅，偏浅黄色.

3 结论

本文设计了以红、绿、蓝三原色直流LED灯泡为光源，利用平板玻璃反射与透射，使不同颜色的色光相混合实现光的合成的实验方法，可实现黄、品红、青光以及白光的合成.通过选择参与合成实验的两个LED灯泡的功率，可演示等量或非等量色光混合.此实验方法，器材可网购，成本低，操作简便，LED灯泡由直流供电，安全性高，各灯可随意组合，合成颜色多样，现象可见度高，且白天也无需作遮光处理，从玻璃板前方各个角度均可观察，演示效果佳.