光的三原色实验演示仪

摘要

利用直流电机调速模块，以干电池为电源设计一款实验室用光的三原色实验演示仪，能解决小学生学习光的三原色困惑，同时满足初中学生自行研究色光的合成的需求，为教师进行分组探究实验教学提供帮助。该实验器材具有操作方便、节能稳定、形象直观、颜色可调节、节能环保、安全等优点。

Graphical abstract

关键词

光的三原色 / 颜色可调节 / 直流调速电机 / 分组

红绿蓝3种颜色为色光三原色，为了完成光的三原色实验，在物理实验室中，教师一般利用透明塑料片或旋转色盘进行简单实验，这不够吸引学生。在实际生活中，利用遥控器可调节灯光的不同颜色，如鱼缸自动调光灯管。一款实验教具应该让学生理解其本质和基本原理，利用自动化调节可能让学生觉得不够真实。有相关文献介绍了色光的合成。例如，解忠良^［1］和崔伟^［2］利用红、绿、蓝LED灯做成的演示仪无法调节到除了7种颜色光以外的其他色光；让庆澜等^［3］利用光学透镜处理完的光谱合成色光，不仅操作困难，学生理解也比较困难；王力敏^［4］利用色光筒调节色光；王敏等^［5］采用滤光纸调节光线，二者的光源保真度弱，颜色达不到理想的要求；李杰^［6］采用稳压电源供电和调节，采用毛玻璃匀光，整体装置重，不够简洁，受到所处环境是否有220 V电压的限制，供电系统不够安全。

笔者自制了光的三原色实验演示仪，配合调速电机对3种色光进行独立调节，可呈现不同颜色。

1 所需器材及说明

磨砂灯罩1个，直流电机调速模块3个，5 V红色、绿色、蓝色三基色草帽型发光二极管各9只、5号4节电池盒1个，5号干电池4节，万用板1块，3D打印外壳1个（内部空心），钕铁硼磁体6块。

2 仪器设计原理及整体外观

（1） 仪器整体电路设计如图1所示。

（2） 光的三原色实验演示仪整体外观如图2所示。

3 实验装置制作方式

色光显示模块灯珠的放置和整体外观如图3所示。

（1） 分别将3种颜色灯珠按照图3所示排列方式插到万用板上，9只红色LED发光二极管并列交叉排列，将正极连接在一起，负极连接在一起；9只绿色LED发光二极管和9只蓝色LED发光二极管按此方式连接。

（2） 将放置好的每种颜色的灯珠正、负极各连接1根线。分别将红色发光二极管的正负两根连接线接到1号直流电机调速模块输出端（OUT）正负接线端上，绿色发光二极管和蓝色发光二极管的正负两根连接线分别照此接到2号和3号直流电机调速模块输出端（OUT）正负接线端上。

（3） 电池盒装上5号电池。将3个电机调速模块的输入端（IN）正极用线连接起来，并连接至电池盒的正极接线柱上，输入端（IN）负极用线连接起来并连接至电池盒的负极接线柱上。

（4） 将3个直流电机调速模块的调速端固定在3D打印外壳预留的固定孔上并安装好调速旋钮。

（5） 将LED灯珠板精准嵌入3D打印外壳顶端的环形凹槽基底，采用热熔胶沿槽体上沿实施多点定位固定。

（6） 在环形凹槽上沿均匀粘贴环形阵列分布的钕铁硼磁体，磨砂灯罩与圆形容器磁铁接触部位也粘贴上磁铁，防止灯罩放上去时掉落。

（7） 将磨砂灯罩放置到圆形容器上方。至此，实验器材制作完成。

4 教学用途与用法

4.1 探究单色光强弱的变化

将组装好的器材直接放在桌子上，打开不同旋钮，单色光强弱发生变化。

4.2 探究不同色光强度下灯罩的颜色

将组装好的器材直接放在桌子上，依次同时打开不同的旋钮开关，并调节旋钮，可看到灯罩呈现出各种颜色。

5 科学原理

人眼对红、绿、蓝最为敏感，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。这是色度学最基本的原理，也称为三原色原理。

6 改进和创新点

（1） 节能稳定，LED光源的使用可长时间工作且不出故障。

（2） 形象直观，用LED光源替代透明塑料膜更有说服力。

（3） 便于操作，采用电机调速模块调节出不同的颜色。

（4） 直接使用干电池供电，节能、环保、安全。

（5） 实现红绿蓝3种三原色色光的显示。

7 仪器制作及选材说明

（1） 直流电机调速模块功能：①调速模块自带的开关，可实现调节输出电压的有无；②通过调节调速模块的旋钮可线性调节输出电压，当电源电压为6 V时，可均匀调节连接LED发光二极管两端的电压为0~6 V。

（2） 5 V草帽形发光二极管自带分压电阻，可直接连接的电压范围为4~6 V。未自带分压电阻的LED发光二极管的工作电压是：红色LED导通电压为2 V，绿色和蓝色LED均为3 V；当选用工作电压为5 V的不同类型二极管时，其额定电压可直接匹配驱动电源，因此无须配置分压电阻电路，显著降低了设计复杂度与工作量。

（3） 实验选用9只发光二极管并采用交叉排序方案，核心目标在于通过优化光源分布结构，显著提升色光混合的均匀性与细腻度。此外，实验所选配的磨砂灯罩可用其他具备磨砂雾面效果的白色材质代替。

（4） 根据电路原理，该实验仪最初使用5个二极管排序，将其直接放在磨砂灯罩内可制作简易色光混合实验仪。

8 使用情况与推广价值

三原色色光的显示和调节：单独打开三原色色光，整个灯泡可分别显示红绿蓝3种颜色；调节不同色光的亮度，呈现其他颜色色光，在实际课堂教学中更形象、生动，有说服力。

参考文献

[1] 解忠良.光的三原色合成及复合光分解演示仪［J］.发明与创新（中学生），2015（05）：48-49.

[2] 崔伟.“光的色彩”综合演示仪［J］.物理教学，2013，35（04）：51-52.

[3] 让庆澜，华莉珍，李文河.“彩色分解与合成演示仪”的设计原理［J］.物理实验，1987，7（03）：125-128.

[4] 王力敏.色光三原色演示仪的设计［J］.中国现代教育技术装备，2009，75（05）：133-134.

[5] 王敏，周晓庆，刘小兵.三原色成影实验仪［J］.教学仪器与实验，2014，30（01）：43-44.

[6] 李杰.自制光的三原色合成演示仪［J］.物理实验，2015，35（10）：23-25.

基金资助

2021年度福安市中小学幼儿园教育科学研究课题“基于减负增效背景下初中物理计算题母题集的实践研究”(AJKT2021024)