汪克凡

摘 要：本文根據現有初中物理光合成實驗演示裝置存在的不足，通過分析、比較，將傳統(tǒng)實驗與信息化技術相結合，設計出能夠定量研究光的顏色、強度與光合成效果關系的數字化色光合成演示儀。

關鍵詞：三色光；發(fā)光二極管；單片機；VB控件；模擬顯示

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-0017-2

1 問題的提出

初中物理教材中所展示的三原色光合成實驗，其裝置主要如圖1所示。該裝置最主要的局限性在于，只能進行結果單一的三色光或二色光的合成，無法滿足教師和學生進一步研究的好奇心，例如用三原色合成黃色、紫色、橙色。那么，能不能設計一種通過定量改變RGB，合成特定顏色的數字化色光實驗儀呢？筆者在以上思考的基礎上，提出了本文的研究目標：（1）在個人電腦上通過程序窗口操作的方式可視化地進行光的合成演示，并在程序窗口模擬顯示三色光合成效果；（2）把電腦合成的數字信號傳輸給外部硬件設備，實現數字信號對三色燈的控制。

2 數字化色光合成演示儀具體操作

2.1 數字化色光合成演示儀整體結構設計

數字化色光合成演示儀的整體結構設計如圖2所示。其主要包含三個重要組成部分：

（1）用VB編程，設計色光合成的演示面板，VB控件通過USB接口實現與外部硬件的連接，通過控件窗口操作的方式可視化地進行光的合成演示，并在窗口模擬顯示三色光合成效果；

（2）怎樣把電腦合成的數字信號傳輸給外部硬件設備，點亮三色燈，涉及單片機選擇及程序控制；

（3）色彩純凈的三色光源選擇。

2.2 VB編程，設計色光合成的演示面板

色光合成的演示面板如圖3所示，通過調節(jié)紅、綠、藍三色滑塊，三個小方塊的顏色會產生變化，同時大方塊中顯示的合成后的顏色也在不斷變化，達到可視化效果。

2.3 數字化控制調節(jié)的實現過程

（1）電腦信號輸出采取了現在較為常用的USB輸出。配合相應的驅動程序，利用USB將信號輸出到單片機，從而控制二極管的發(fā)光情況。

（2）如何通過USB傳出的數字信號來驅動發(fā)光管是本實驗的一個難點。通過查閱相關資料，了解到通過單片機就能夠實現。在初步了解單片機的原理的基礎上筆者設計了如下單片機連接圖（圖4）。單片機要能認識計算機傳出來的信號，還需要對單片機進行初始化編程，讓電腦信號和單片機對接。

2.4 三色光合成效果顯示

要能準確合成色光，首先必須有良好的發(fā)光體。對于純凈強光的產生，傳統(tǒng)實驗采用的是通過透鏡匯聚強光，再利用濾色鏡片產生有色強光。筆者在實驗后發(fā)現按照這種方法所產生的色光顏色有較大的偏差，效果不佳。在多次實驗比較后，筆者選擇了大功率LED燈珠，其產生的紅、綠、藍色光較為純凈，滿足實驗的要求。

將二極管放入一個黑色圓筒內，并將筒口對準白墻，打開電源，白墻上即可顯示紅、綠、藍色光和混合光。通過調節(jié)電腦上的顏色，從而改變二極管的光強，實現不同光強的色光混合。在實驗設計的過程中，筆者發(fā)現黑色圓筒比白色圓筒的實驗效果要好。筆者認為其原因在于，如果筒是白色光滑的，那么它發(fā)射的光就會對紙板上光的合成效果產生干擾，影響光的純度，進而影響實驗效果。

3 小 結

通過實踐檢驗，并將改進后的裝置與傳統(tǒng)的三色光的實驗裝置進行對比，色光合成演示儀具有結構簡單、節(jié)能環(huán)保、數字化調控等優(yōu)點。不僅可作為光合成效果的教學演示儀器，還可以研究任意兩種單色光合成及三色光合成，同時可比較直觀地研究光的強度對光合成的影響，這是值得各位專家學者進一步研究的問題。

參考文獻：

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（欄目編輯 趙保鋼）