书城科普读物动手做实验丛书--光学实验改进设计实践
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第2章 几何光学实验的操作与改进设计(1)

两则用自制装置做的实验

自制手拉七色板

目的七色光按一定比例混合,可得白光。

器材一块圆薄木板(纤维板或三合板均可),少量红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的颜料(或纸),一根粗线。

制作

(1)将圆木板按照红45°、橙27°、黄48°、绿60°、青40°、紫80°进行划分并涂上颜色(或贴上相应色纸)。

(2)在圆心两旁钻两个小孔,把粗线穿过去系好。

使用用手将色板两边的线绞紧,然后向两端伸缩牵拉,板就不停地正反转,观察有色一面,为白色。用其它单色光照射到转动板上,为相应色。

自制太阳灶

器材大瓷碗一个,吸盘挂衣钩一个,香烟锡箔若干,剪刀、金属勺等。

制作

(1)将展平的锡箔贴满碗内壁,并用金属勺背将其皱折碾平。

(2)用夹钳将挂衣钩扳直,在碗底正中挖去一小块锡箔,将挂衣钩吸盘压在此处,简易太阳灶就制好了。

使用将碗口正对太阳,在光线会聚的小亮斑处作一记号,然后在挂衣钩上穿一小块土豆,使之尽量与记号重合,随时调整太阳灶,使它始终正对太阳。若太阳光较强,过不了多久,土豆就被烤熟了。

单色光复合成白光的实验改进

九年义务教育教材初中物理

第一册,在介绍单色光可复合成白光的演示实验中,是先让一束白光通过一个三棱镜发生光的色散后得到一组单色光,再让单色光经过另一相同的三棱镜复合后得到白光,教学中采用该法,效果并不好,江苏省湾山煤矿中学魏玉荣老师做了以下改进。

剪一张圆形厚纸板,大小刚好能覆盖住一凸透镜面,在纸板上剪三个直径为5mm的圆孔,组成“品”字形,再在三个圆孔上分别贴上红、绿、蓝三种透明玻璃纸,最后把纸板盖在凸透镜上。当太阳光直射到三个色孔并经透镜折射后,能在白纸屏上形成红、绿、蓝三个亮斑,当调节透镜和屏的距离,红、绿、蓝三色亮斑可以复合在一起,便得到了一白色亮斑。

该实验按上述方法改进后,有以下几个好处:1操作方便,效果明显。2可挡住任一色孔,让另外两种色光复合,实现一种器材做多个实验;3便于学生课后做小实验,以增加兴趣。

巧做“物体的颜色”一节的实验

中师物理光学部分“物体的颜色”一节,物体的颜色和光的关系及光的混合是通过两个实验研究的。实验中的色光都是利用照明灯(或幻灯)前加滤光片获得的。这种方法在实验过程中,操作不简便,效果欠佳。教学过程中,临邑师范学校刘俊秀老师采用以下方法获得了极好的效果。

利用投影器作光源获得研究物体的颜色所需的色光

方法:取一张与投影器载物台表面大小相同的不透明硬纸板,在其上挖三个互不相连的孔,置于载物台上,在其中两孔上分别放不小于该孔的红色滤光片和绿色滤光片,调好投影器。

实验时,接通投影器电源,打开反射镜盖,就可同时得到射向屏幕的红、绿、白三束光,然后,把红纸(绿纸)(白纸)放在屏幕前分别被这三束光照射。

效果:实验过程中只须如上简单操作投影器,就可同时一次性获得所需各色光,操作简便,且同一物体在不同色光照射下的颜色能直接对比,现象直观。

利用彩色电视机提供色光研究光的混合

原理:断开机内红、绿、蓝三个视放管基极与主板连线,将三个开关分别串联在电路中。接通开关,电视机正常工作;断开开关,与之对应的视放管将被截止,荧光屏上就不显示这种色光。分别接通三个开关中的一个,荧光屏上只显示与之相应的色光;只接通三个开关中的两个,可以显示红、绿、蓝三种色光中的任意两种色光的混合;同时接通三个开关,荧光屏上可得到红+绿+蓝三种色光的混合,即白光。

所以,实验过程中只要操作三个开关,就可分别得到三种单色光、任两种色光的混合及三种色光的混合。

注意事项:

(1)实验时,天线插座不输入信号,才能得到大面积效果或用AV状态。

(2)有蓝背景功能的电视需将蓝背景电路断开后,才能进行演示。

效果:由于色光混合的颜色与相混合的色光强度的比例有关,不同光源很难提供相应比例的单色光,会影响合成后光的颜色,跟课本上的结论不符。而电视机三种色光较纯正,且彩色技术已很成熟,所以这种实验得到的色光的混合效果很好。再结合电视播放节目时呈现成千上万种颜色的现象,能很简单的得出红、绿、蓝是光的三原色,用这三种颜色的光按不同强度比例可以合成各种颜色的色光的结论。另外,实验过程中操作简单,现象明显,且不需暗室,还能给人耳目一新的感觉,开阔学生眼界,激起他们浓厚的物理兴趣。

总之,实验一利用电视机达到的效果是其他光源无法比拟的。实验二投影器更另因其光源亮度大,光色好而优于其他各种光源。所以,上述两实验都很巧妙。

变色小实验三则

有关光的色散与物体颜色

一节内容,课本上新奇、鲜明的色散、物体颜色实验,会使学生觉得光学现象非常有趣。在该节内容教学时,教师如能再向学生介绍一些有趣的课外实验,让学生感到天地万物,五光十色,从而倍增探索光学奥秘的信心。南通市港闸中学沈纪纲老师提供了以下三例:

红水变绿

把几滴红墨水滴入装满清水的玻璃杯中搅匀,杯下衬一张黑纸或一块黑布,然后将杯子连同纸或布举至齐眉高度观看,你会看到极为有趣的现象:刚才明明是红色的墨水怎么变成绿色的了?

这是由于红墨水中的苯胺染料造成的,苯胺染料吸收了一定波长的光,由于补色的关系,斜着眼睛侧看,就显出绿的颜色了。

黑炭变蓝

取黑炭100g碾碎成粉末状,当上午或下午太阳光照射到地面成某一适当角度(30°-60°)时,人背向太阳站立,将炭末用手向空中抛洒,可看到黑色炭末在空中形成一缕缕蓝色烟雾,非常好看。

当太阳光射到炭末上时,每一小粒炭末除了反射跟它相应的黑色光外(即各种色光被吸收),还反射一种与它相近的色光,如绿色光和青色光等,炭末洒向空中后,这些色光相互混合,就显出了蓝色光。

三色板实验的原理及改进

初中物理课本第一册中关于“三色板”小实验写道:

照图6-29(本文中的图1)那样,在白色圆形的硬纸板上帖上红、绿、蓝三种色纸,把圆纸板安装在陀螺上,使陀螺快速旋转,观察纸板上的颜色。

如果改变三色板上三种颜色的深浅程度,当陀螺很快旋转的时候,看到三色板又是另一种颜色。这样,调配红、绿、蓝三种颜色的深浅,我们便可以得到不同的颜色。”

但是,多次做这个实验,既得不到白色也得不到各种各样的颜色,实际情况是:当三色板上的三种颜色均较深时,结果是灰白色;当任意一种或任意两种颜色逐渐变浅时,则颜色更淡,更接近于白色。总之只通过调配三种颜色的深浅程度,是得不到各种颜色的。

基于这一事实,河北青龙县文教局教研室金尚英老师认为有必要对三色板的实验原理作一简要地阐述,并对如何做好这个实验提出改进意见。

实验原理

自然界中的可见光,频率连续分布,光的颜色是由光的频率决定的,每一种频率的光均对应着一种特定的颜色。单一频率的光叫单色光,但单色光在自然界中和实验室里是理想化的。

一般情况下人眼所感受的光都是某一频段或包含着某几个频段的光,这种光称为复色光。当某一频段的光,频段很窄时,我们就可以近似地认为它是单色光。

通常人眼所感到的物体的颜色取决于照射光的光色和被照射物体的特性。当用白光照射时,物体的颜色就仅仅取决于物体本身的特性。每一物体都能有选择性地吸收某一频段的色光而反射被吸收频段以外的色光,人眼所感到的物体的颜色是被物体反射的各色光中强度最大的色光的颜色。

根据人眼彩色视觉的生理特征,三基色原理认为,彩色是一个三度的量,任意选定三种彩色,只要这三种彩色中的任意一种彩色都不能由其他两种彩色混合而得到,这三种彩色就可以作为基色,叫三基色。任意四种彩色中,必有一种彩色可由另外两种或三种彩色按一定的强度比例混合而得到。这就是说将选定的三种基色按不同的强度比例混合,就可以替代自然界中各种各样的彩色。

彩色的混合方式有两类:一类是色光的混合,一类是颜料的混合。本文只谈色光的混合。色光的三基色是红、绿、蓝,将三种基色光按不同的强度比例相加混合而得到不同彩色的方法,称为加法混色法,方法主要有以下三种:

(1)直接混色法:将三基色光同时投向同一空间位置上直接相加混合。如将红、绿两种色光

同时射向同一幅白屏上,如果红光逐渐由强变弱,而绿光逐渐由弱变强,人眼所看到的白屏的颜色变化是红→橙→黄→草→绿→绿(注意这里是改变红、绿两种色光的强弱而不是改变它们的深浅)。

(2)空间混色法:由于人眼的分辨能力有一定限度,使人眼具有空间混色效应。例如,在一个平面上的某一个小区域内,均匀地布满了距离极近的两种或三种颜色的色点,当人眼在一定的距离之外观看时,分辨不出其中每一个色点的颜色,而感到这个小区域是由这几种颜色混合而呈现出的一种新的颜色。彩色电视机就是这样混色的。

(3)时间混色法:由于人眼的视觉惰性(视觉暂留,视觉暂留时间的长短与光的强弱及色调有关,一般在1/30-1/15秒之间,平均约为1/20秒左右),使人眼具有时间混色效应。如当两种或几种颜色在眼前迅速地轮换出现时,也会感到在眼前只呈现出一种新的颜色。三色板就是这样混色的。

从初中物理课本的可以看出,红、绿、蓝三种颜色在圆板上所占的面积是大致相等的。当三色板迅速旋转时,我们所看到的三色板的颜色如前所述,一般为较暗的灰白色,而不是纯白色,这是因为:①所调配的红、绿、蓝三种颜色调不准确,不是本文中所给出的人眼三个光敏器官最为敏感的三个频率的色光所对应的颜色。②三种颜色分别反射的三种色光的强度比例不当,与白光对人眼所产生的光刺激效果不同。③三种颜色的饱和度较高,即颜色较深,其反射光中含白色很少,总的强度不足,这与我们在傍晚时看到一张白纸并不那么白道理相同。

如何做好三色板实验?

方法是有的,而且既简便、效果又好。这种方法不是改变红、绿、蓝三种颜色的深浅程度,而是通过改变三种颜色在三色板上所占面积的比例,而使三种色光对人眼感光细胞的刺激强弱比例发生变化,引起不同的彩色视觉。为了得到不同的彩色视觉,我们无需一张张地画出三种颜色所占面积比例不同的许多张圆板,只需形状和尺寸剪出六张圆形纸板(纸板用相当于一般书皮厚度的白纸即可)分别涂上深红、深绿、深蓝和浅红、浅绿、浅蓝,将深红、深绿、深蓝三个圆纸板互相迭套在一起,迭套方法。再将浅红、浅绿、浅蓝三个圆纸板也按上述方法迭套在一起。如果把迭套在一起的深红、深绿、深蓝三个圆纸板套在小陀螺上,改变三种颜色的圆纸板露出部分的面积,每改变一次,当三色板迅速旋转时,都可以使我们看到三色板呈现出某一种特定的较深的颜色,通过改变三种颜色露出部分的面积比例,可以使我们看到三色板上能够呈现出自然界中由深红直至深紫等各种各样的较深的颜色。例如,当绿色圆板全部被遮住而红、蓝两色所占面积大致相等时,三色板呈深紫色,若红色面积大于蓝色面积时,呈深紫红色,若红色面积小于蓝色面积时,呈深红紫色。

但是用这一组三色板很难得到亮白色,其原因主要是三种颜色所反射出来的三种色光的强度不足。如果把迭套在一起的浅红、浅绿、浅蓝三个圆纸板套在小陀螺上,实验时,每改变一次三种颜色露出部分的面积比例,都可以使我们看到三色板上呈现出某一种较浅的颜色。若浅红、浅绿、浅蓝三种颜色露出部分的面积比例适当,就会看到三色板上呈现出几乎与白纸一样的亮白色。

做好这个实验,三色板上红、绿、蓝三种颜色的正确配制很重要。例如红色,就其名称就有深红、大红、洋红、朱红、品红、枣红、粉红……我们在制做时,板上所涂的红、绿、蓝三种颜色究竟是什么样的,本文为制做者提供几个参考的途径:

①这三种颜色应当尽可能地接近人眼三种光敏器官最为敏感的三种色光的颜色,本文已给出它们的频率数值、对照太阳光谱的彩色插图,就可以知道这三种颜色的色度(要注意有一些书中或挂图上太阳光谱的各种彩色的调配不很准确)。

②有电视机维修技术的同志,还可以打开彩色电视机的后盖,有的彩色电视机的机内有红、绿、蓝三个调节色调的旋钮,分别开启其中的一个、并关闭另外的两个,就可以从荧光屏上分别看到我们应该选取的红、绿、蓝三种颜色。

对于改进后的三色板实验,其原理可简述如下:

三色板上涂有红、绿、蓝三种颜色,三种颜色分别以反射红、绿、蓝三种色光的强度最大,当三色板迅速地旋转时,三种色光即按一定的强度比例迅速地轮换刺激人眼视网膜上的感光细胞,因人眼具有异谱同色效应和时间混色效应,于是人眼将这三种颜色混合在一起,产生一种新的彩色视觉。当三种颜色所占面积比例不同时,三种色光对人眼感光细胞产生的光刺激的比例亦不相同,因而引起不同的彩色视觉,使我们感到三色板上呈现不同的颜色。当三种颜色的色调、深浅和面积比例适当,使三种色光对人眼的光刺激能够与白光等效时,我们就会看到三色板呈白色。

“三原色光混合”简易实验两法

(1)器材:手电筒三只、小平面镜三块、红、绿、蓝玻璃纸各一张(2)实验方法

①用红、绿、蓝玻璃纸分别复盖手电筒上的玻璃(手电筒要挑选调整好,使其光斑中心区域照度均匀、无黑影),三只手电筒分别射出红绿蓝三色光,做混合实验。

②用红、绿、蓝玻璃纸分别复盖在三块小平面镜上,反射太阳光,得红绿蓝三色光做混合实验。

(3)优点

①适合演示,可观察范围大。

②适合学生自己动手做小实验,因为取材极方便,也无需制作。

③调节三原色光的强弱极简便,既能显示混合的几种特殊情况,也能产生变换无穷的色彩光。调节的方法:根据照度第二定律,E=Ir2cosθ,只须改变各色光相对于光屏的入射角即可,对手电筒,还可用新旧不同的电池来改变各色光的强弱。

④三人操作配合,能增加乐趣,同时对锻炼合作、协同能力也有好处。

验证光的反射定律的一种简易方法

本实验所用器材:小平面镜一块(长边尺寸不宜太小),两边可嵌在两块泡沫塑料上,让平面镜能够垂直立在桌面上,再用纸剪一个正方形和一个任意三角形。徐州师范学院物理系拾景忠老师介绍实验具体可分为三步进行。

(1)剪一张正方形纸,放在平面镜前桌面上。其中M为平面镜,abcd为正方形纸,纸的ab边紧靠平面镜的法线。