自制“三原色光合成”演示教具*

杨嘉航 裴 熙 蔡少玲 李秀燕

(闽南师范大学物理与信息工程学院 福建 漳州 363000)

《初中物理课程标准(2022年版)》中在对实验室课程资源的开发中提出：“提倡师生利用身边物品、器具、材料等自主开发物理实验器材”.鼓励教师在进行物理相关知识研究的过程中发现原有教具的不足和局限，设计出符合初中生心理和认知特点的演示器材，使教具更加多元化.

光现象是自然界中最基本的物理现象，也是整个物理教学体系中不可或缺的一部分.初中物理人教版教材有关于“三原色合成”的实验是在八年级上册第四章第5节“色光的混合”[1].该实验虽然在光学中不是重点的考查内容，但是色光混合的原理在日常生活中的应用已相当普遍，例如霓虹灯、彩色电视机、电子显示屏等彩色显示产品.而目前在光学教学中，用于演示三原色光合成的教具并不多，且多数还只停留在演示两色光等量混合和三色光等量混合，使得教师在讲解三原色合成光的原理时，演示效果比较单一，学生并不能真正有效地理解实验现象背后色光的混合规律.

1 现有色光合成的演示教具

通过文献调查发现，现有色光合成的演示教具大致可分为4类：第一类是根据“感觉后效”的原理，通过迅速旋转七色圆形纸板，让学生感受到这几种色光是白光的组成部分[2]，该实验教具虽制作简单，取材容易，成本低，但演示的并非是色光的直接混合，不利于学生真正理解三原色光的混合规律；第二类是将红、绿、蓝三色光通过普通幻机投影到幕布上[3]，观察三原色原理，该操作虽简单，但会受到环境散光的影响；第三类是采用白光光源和红、绿、蓝三色滤光片各一个，通过组合演示光的三原色原理[4-5]，虽然现象明显，但所采用的光学元件多，显示区域过小，学生观察起来也会比较困难；第四类是通过调制单片机输出脉冲的占空比来控制红、蓝、绿三色光的输出亮度，从而展示三原色叠加的过程[6]，该法虽能形象说明光的三原色原理，但不利于激发学生的探索欲望.鉴于此，笔者设计了一种简易、直观、可以将红、绿、蓝3种色光以不同比例混合的三原色合成演示教具.

2 自制“三原色光合成”演示教具

2.1 制作原理

本教具采用220 V市电，经12 V电源适配器转换后进行供电.装置的结构示意图如图1所示.整体为封闭的箱型结构，由灯带光源、亚克力板及外壳共同来完成色光的混合.其中，①为置于箱体前端的白色亚克力板，作为观察色光混合规律的显示屏；②为置于箱体背板的蓝、绿、红3条发光灯带，作为色光光源；③为置于箱体侧板的蓝、绿、红3光带对应的亮度调节电位器，可改变对应灯带的明暗程度，得到不同比例的色光；④为置于箱体侧板的蓝、绿、红3光带对应的船型开关，用于控制对应灯带的开关.而调节灯带明暗的电位器的控制电路如图2所示.开启红、绿、蓝三色的控制开关后可完成两原色等量混合和三原色等量混合，调节对应的亮度调节电位器可实现色光的不同比例混合.

图1 结构示意图

图2 电位器控制电路

2.2 制作材料

白色方形亚克力板1块(110 mm×105 mm)，洞洞板1块(100 mm×70 mm)，红，绿、蓝发光灯带各1条(三原色)，船型开关3个，亮度调节电位器3个，泡沫板、直针座与公头端和绝缘胶若干.

2.3 制作过程

2.3.1 焊接元件

分别将带线的公头端与电源插孔、3个船型开关、3个电位器以及3条LED灯带(红、蓝、绿)进行焊接.在焊接口采用绝缘胶进行保护，如图3所示.

图3 各类元件图

2.3.2 连接电路

将洞洞板作为主控制板，如图4所示.首先将一个直针座插入洞洞板中，再将电源插孔的公头端子接到控制板的接口①上，之后可以通过12 V/1 A的适配器接到电源插孔上，对整个教具进行供电.将3个船型开关的公头端子分别接到控制板的接口②上；将3个电位器的公头端子分别接到控制板的接口③上；将红色、绿色、蓝色LED灯带的公头端子分别接到控制板的接口④上.最后将直针座背后的弯针焊接起来，打上绝缘胶保护，背部如图5所示.

图4 控制板引脚分布图

图5 控制板背部示意图

2.3.3 组装教具

电路连接完成后，先将控制板用透明胶带固定于箱体内侧壁上.再将如图6所示的红、绿、蓝3条LED灯带贴于灯带背板上.最后，利用专门的胶水将亚克力板和泡沫板进行拼接，组装后装置如图7所示.

图6 LED灯带背板图

图7 装置外观示意图

2.4 使用过程

2.4.1 单色光显示

接通电源，分别打开红光、绿光、蓝光的控制开关，则可在白色亚克力板上依次呈现如图8所示的红色、绿色、蓝色的色光.

(a)红色 (b)绿色 (c)蓝色

2.4.2 双原色等量混合

关闭所有控制开关，当同时打开红光和绿光的控制开关时，则呈现图9(a)所示黄色；若同时打开红光和蓝光的控制开关，则呈现图9(b)所示紫色；而若同时打开绿光和蓝光的控制开关，则呈现图9(c)所示青色.这就是两原色的等量混合效果展示.

(a)黄色 (b)紫色 (c)青色

2.4.3 三原色等量混合

若同时打开红光、绿光和蓝光的控制开关，进行三原色的等量混合，此时三原色完全重叠，在白色亚克力板上呈现白光，效果如图10所示.

图10 三原色等量混合效果图

2.4.4 不同比例色光的混合

利用不同光带所对应的亮度调节电位器，可实现双原色的非等量混合.例如同时打开红光和蓝光的控制开关，分别转动红光以及蓝光对应的亮度调节电位器，将在白色亚克力板上观察到合成后光的明暗程度以及色彩的变化，效果如图11所示.

(a)紫色 (b)红紫色 (c)洋红色

2.5 教具特点

2.5.1 功能齐全，操作方便

现阶段许多教具只能机械地展示两原色等量混合以及三原色等量混合.而本教具在实现以上两种功能的基础上，还可以展示两原色以及三原色的非等量混合，因此，学生就可以观察到多种多样的色光组合.再者，教师操作起来简单，只需打开不同光源的控制开关并调节相应的亮度电位调节器即可实现不同色光的混合，无须再使用其他教学用具.

2.5.2 取材容易，结构简单

所需的元件以及材料都是实验室内或者日常生活中常见的物品.本教具的外部结构是一个长方体形状，不仅轻巧方便，便于携带，而且将3种色光放在封闭的箱子内可以避免自然光的干扰.内部电路设计巧妙，利用洞洞板作为主控制板，将各条电路逐一进行连接，实现应有的功能.

2.5.3 效果明显，使用安全

将白色亚克力板放置在灯带背板正面前方6～8 cm处，利用白色亚克力板展示三原色的混合，效果清晰直观.传统的三色光源是采用白炽钨灯泡加上红、绿、蓝三原色滤光片，而现阶段许多教具是采用红、绿、蓝3种高亮LED作为光源，但是实践证明，采用发光灯带提供光源，相比于使用二极管提供的光源更明显，效果更好.再者，本装置采用220 V市电，经12 V电源适配器转换后即进行供电，使用安全.

3 总结

诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授曾说过：“自制的仪器永远比买来的好”.本研究针对八年级上册物理教材第四章第5节中“色光的混合”这一小节的内容设计了制作工艺更为简单、使用操作更为方便、演示效果更加明显、可以将红、绿、蓝3种色光以不同比例混合的三原色合成演示教具.通过教师在课堂中的演示示范，学生不仅可以直观地观察到两原色等量混合以及三原色等量混合的实验现象，还可以根据实际的需要感受色光的非等量混合，加深学生对于色光合成规律的理解，激发学生想要继续学习探索的欲望.