“紅光和綠光混合得到黃光”的迷思剖析及教學(xué)建議

高嵩 王雪

摘 要：關(guān)于光的三色光原理部分，很多學(xué)生，甚至是教師都認(rèn)為紅、綠、藍(lán)三種色光可以按不同比例混合產(chǎn)生其他各種色光.但基于這個(gè)觀點(diǎn)會(huì)得到很多不合理的結(jié)論.本文立足學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了梳理，揭示了三原色以及人們感受到色彩的本質(zhì)，并進(jìn)一步提出了相應(yīng)的教學(xué)建議，希望有助于教師改進(jìn)教學(xué)方法，從而學(xué)生可以正確地把握物理規(guī)律，有助于其物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成.

關(guān)鍵詞：三色光原理;顏色;物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）06-0006-03

作者簡(jiǎn)介：高嵩（1972-），女，山東濟(jì)南人，博士，副教授，研究方向：科學(xué)教育的理論與實(shí)踐方面的研究;

王雪（1996-），女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

物理學(xué)是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)學(xué)科，是學(xué)生認(rèn)識(shí)并探索自然界奧秘的重要途徑.光學(xué)部分，尤其是光的色散和光的混合的問(wèn)題，在初中階段似乎不是非常重要，但是學(xué)生每天面對(duì)這個(gè)五光十色的世界，接收信息的最重要的渠道就是通過(guò)眼睛，所以學(xué)生對(duì)與此相關(guān)的現(xiàn)象會(huì)有著濃厚的興趣.并且隨著學(xué)生未來(lái)學(xué)習(xí)的深入，步入高中、大學(xué)，乃至科學(xué)研究領(lǐng)域，光的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越重要，所以幫助學(xué)生在初中階段建立起關(guān)于光現(xiàn)象的正確而自洽的認(rèn)識(shí)就非常有意義.筆者對(duì)色光一些雖然簡(jiǎn)單但容易出現(xiàn)困惑的問(wèn)題進(jìn)行梳理，為有同樣困惑或興趣的讀者提供參考.

1 貌似合理的說(shuō)法

光的三原色（在某些書(shū)中被表述為“三基色”）是初中八年級(jí)物理光學(xué)部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容.關(guān)于三色光原理，有些書(shū)上是這樣解釋的：“自然界中紅、綠、藍(lán)三種顏色的光是無(wú)法用其他顏色的光混合而成的，而其他顏色的光都可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)光的適當(dāng)混合而得到.因此紅、綠、藍(lán)三種顏色的光被稱為光的‘三原色.”由于這部分內(nèi)容在課程標(biāo)準(zhǔn)里是“了解”的層面，能“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解白光的組成和不同色光混合的現(xiàn)象”就可以了，并且課時(shí)比較緊，所以大多數(shù)教師對(duì)這個(gè)問(wèn)題不進(jìn)行細(xì)致的講解，學(xué)生能理解一些生活中的現(xiàn)象，比如知道之所以能夠在電視屏幕上看到黃色的物體，其原因就是由于紅光和綠光的疊加就可以了.這樣有許多學(xué)生會(huì)機(jī)械地記憶“黃光是由紅光和綠光組成的”這一結(jié)論，并且這一觀點(diǎn)會(huì)延續(xù)至他們上大學(xué)甚至畢業(yè)以后，我們對(duì)一些初入職的教師或研究生進(jìn)行訪談，讓他們進(jìn)一步分析“如果黃光是由紅光和綠光混合而成的，那么當(dāng)一束黃光透過(guò)三棱鏡的時(shí)候，是否會(huì)被分解為紅色光和綠色光”的時(shí)候，多數(shù)人在回答這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候也都很猶豫.因?yàn)榘凑談偛诺耐评恚?dāng)一束黃色的光照射到三棱鏡上應(yīng)該會(huì)被分解為一束紅光和一束綠光.

2 進(jìn)一步的推理

沿著上面所說(shuō)的這個(gè)思路進(jìn)一步推導(dǎo)會(huì)得到更有趣的結(jié)論，比如：太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡的折射以后，也不應(yīng)該出現(xiàn)紅橙黃綠青藍(lán)紫七色光，而應(yīng)該只有紅光、綠光和藍(lán)光.而這明顯不符合事實(shí).那么剛才的推理在哪里出現(xiàn)了問(wèn)題了呢？

而且問(wèn)題還可以繼續(xù)延伸，比如某一天你穿了一件黃色的襯衫進(jìn)到一個(gè)用紅色和綠色光源照明而顯示出黃光的封閉的房間里，那么根據(jù)“什么顏色不透明的物體反射什么顏色的光，它就會(huì)呈現(xiàn)什么顏色”的結(jié)論，那么此刻你的襯衫是會(huì)呈現(xiàn)黃色，還是紅色，亦或綠色？

以上這些問(wèn)題，不僅是學(xué)生，甚至是許多教師也不能正確回答.但是學(xué)生思考問(wèn)題的范圍往往并不囿于現(xiàn)實(shí)課堂上的情況，而且顏色是他們獲取自然界的最基本的信息之一，對(duì)顏色的辨別是認(rèn)識(shí)世界的最基本的方式之一，如果學(xué)生提出這樣的問(wèn)題而不能得到恰當(dāng)?shù)慕忉尩脑挘@難免會(huì)引起他們對(duì)自然界認(rèn)知的歧義，如果教師對(duì)他們的問(wèn)題置之不理，則會(huì)不利于保護(hù)學(xué)生的好奇心和求知欲.尤其是對(duì)當(dāng)下要求學(xué)生構(gòu)建起自洽、合理的物理觀念的教學(xué)理念也不相適應(yīng).所以作為教師，應(yīng)該首先弄清楚其中的基本原理.下面筆者將從光的本質(zhì)及人對(duì)顏色的感覺(jué)的角度進(jìn)行分析.

3 問(wèn)題剖析

3.1 色光的真正意義

我們知道光是電磁波，當(dāng)我們說(shuō)看到色彩的時(shí)候是包括眼睛在內(nèi)的人的生物系統(tǒng)產(chǎn)生的感受，電磁波的頻率不同，人眼的感受也不同.當(dāng)然能引發(fā)顏色感受的電磁波僅在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)，大約在3.9×1014-7.7×1014Hz之間，我們把在此頻率范圍內(nèi)的電磁波稱之為可見(jiàn)光，具體見(jiàn)表1.

從表1中可以看出，紅、綠、藍(lán)三種色光僅屬于三種不同頻率的電磁波段，與其他色光相比并無(wú)特殊之處.而且由于各自的頻率不同，并且光源發(fā)出光的相位差也不確定，這樣紅光與綠光即使相遇也仍然保持獨(dú)立、互不干涉，所以并不會(huì)改變?cè)瓉?lái)的頻率或波長(zhǎng)，從各自的400多Hz和600多Hz的頻率變成另外一種頻率的黃光.也正因?yàn)檫@樣，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)雨滴的折射，不同頻率的光被分開(kāi)，才得到美麗的彩虹.所以黃色光就是黃色光，不是由其他色光合成的.也就是當(dāng)我們看到屏幕上由紅光和綠光“合成的黃光”，并不是真正的頻率在5.3×1014-5.1×1014Hz的黃色光，那么同時(shí)打開(kāi)紅色和綠色的光源后，在空間中并不存在黃顏色的單色光，那么我們看到的“黃光”是怎么回事呢？

3.2 視覺(jué)獲取色彩的生理構(gòu)成

實(shí)際上，顏色是通過(guò)眼、腦和我們的生活經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的一種對(duì)光的視覺(jué)效應(yīng).我們看到什么不僅取決于被觀察的現(xiàn)象，還取決于我們的人體，取決于我們的眼睛和大腦的工作機(jī)制.所以，我們看到的所謂的“客觀世界”，實(shí)質(zhì)是認(rèn)知主體與自然界相互作用的結(jié)果.下面我們就來(lái)梳理一下為什么我們可以看到一個(gè)五彩繽紛的世界.

首先來(lái)分析一下視覺(jué)獲取色彩的生理構(gòu)成：當(dāng)光線射入我們的眼睛，穿過(guò)瞳孔、晶狀體、玻璃體到達(dá)視網(wǎng)膜，如圖1所示，視網(wǎng)膜上遍布錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞，它們能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞到大腦的視皮層，最后在大腦內(nèi)形成視覺(jué)信號(hào)，包含顏色和亮度，如圖2所示.其中桿狀細(xì)胞負(fù)責(zé)感受光的強(qiáng)度，主要在暗視覺(jué)條件下起作用;當(dāng)光線達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，視錐細(xì)胞可以感受到顏色信號(hào)，并在大腦中產(chǎn)成顏色印象，主要在明視覺(jué)條件下起作用.而視錐細(xì)胞又分為三種，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三種波長(zhǎng)的光最為敏感，圖3表示不同視錐細(xì)胞在不同波長(zhǎng)范圍的響應(yīng)曲線，分別被命名為感受波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光的L-視錐細(xì)胞，感受波長(zhǎng)較短的藍(lán)光的S-視錐細(xì)胞，和感受中間波長(zhǎng)的綠光的M-視錐細(xì)胞.當(dāng)然三種視錐細(xì)胞都是在各自的波長(zhǎng)范圍內(nèi)被激活的，但被激活的程度不同.比如波長(zhǎng)在600nm左右的紅光進(jìn)入我們的眼睛，那么L-視錐細(xì)胞將完全激活，雖然M-視錐細(xì)胞也被激活，但是活躍程度很低，這樣由于大腦接受到的L-視錐細(xì)胞生成的信號(hào)更強(qiáng)，便產(chǎn)生了紅色的認(rèn)知.這也是為什么紅色的視覺(jué)不能由其他顏色的光產(chǎn)生，只能由紅色光源產(chǎn)生的原因.因?yàn)槠渌伾墓猓ㄒ簿褪瞧渌ㄩL(zhǎng)的光）都不會(huì)高強(qiáng)度地激活L-視錐細(xì)胞.

3.3 三原色光混合實(shí)質(zhì)

從圖3曲線還可以看出，當(dāng)波長(zhǎng)為580-595nm的黃光進(jìn)入人的眼睛，人雖然沒(méi)有對(duì)黃色感受敏感的視錐細(xì)胞，但是當(dāng)黃光進(jìn)入人的眼睛后，會(huì)同時(shí)激發(fā)L-視錐細(xì)胞和M-視錐細(xì)胞，而且這樣細(xì)胞產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度差不多，這樣當(dāng)它們同時(shí)被傳遞至大腦皮層時(shí)，大腦并不能把二者區(qū)分開(kāi)來(lái)，而是形成整體的認(rèn)識(shí)，此時(shí)反映出的既不是紅色，也不是綠色，而是黃色.至于其他顏色，比如橙色、紫色等，也是由于同時(shí)激發(fā)了兩種或三種視錐細(xì)胞，然后這些信號(hào)傳遞至大腦而產(chǎn)生的綜合的感覺(jué).因此，當(dāng)人們認(rèn)為他看到黃色的光或黃色的物體的時(shí)候可以有兩種情況，可能的確有黃色光進(jìn)入眼睛，當(dāng)然也可能是紅光和綠光同時(shí)進(jìn)入眼睛，因?yàn)槎伎梢酝瑫r(shí)激發(fā)L-視錐細(xì)胞和M-視錐細(xì)胞，然后強(qiáng)度相差不多的兩種信號(hào)同時(shí)傳遞至大腦，然后大腦形成一種看到黃色的綜合感受.所以人是不能僅憑觀察就能把單色光和復(fù)色光區(qū)分開(kāi)來(lái)的.從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，眼見(jiàn)也不一定為實(shí).

3.4 關(guān)于物體顏色的解釋

而生活中的物體大部分都不發(fā)光，通常我們所說(shuō)物體的顏色，指的是在太陽(yáng)光及白光，也就是各種色光成分都有的情況下物體呈現(xiàn)的顏色.此時(shí)它們反射或透射不同波長(zhǎng)的光進(jìn)入我們的眼睛就是我們看到的物體的顏色.物體反射或透射什么顏色的光，是由構(gòu)成物體的物質(zhì)性質(zhì)決定的.這樣，當(dāng)用一種單色光照射物體時(shí)，比如用單色的黃光照射紅色不透明的物體時(shí)，由于物體只能反射紅光，這樣在黃色光的照射下，物體看起來(lái)就呈現(xiàn)黑色了.而在日光下呈現(xiàn)白色的物體，由于可以反射各種顏色的光，這樣在某種色光的照射下，它便會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的顏色;而呈現(xiàn)某種顏色的物體，若僅在與其不同的單色光照射下，由于不能反射這種光，所以呈現(xiàn)的只能是黑色.因此，大腦辨認(rèn)物體的顏色是一個(gè)非常復(fù)雜的事情，其結(jié)果既取決于光源和物體材料的特性，又與眼睛的生理構(gòu)造有關(guān).

4 在“光的色散”教學(xué)中應(yīng)注意的問(wèn)題

基于以上分析可以看出，色光混合以及人的顏色辨別是一個(gè)比較復(fù)雜的事情，雖然現(xiàn)在由于時(shí)間關(guān)系不能有很多時(shí)間用于非常深入的探索，并且要深刻理解光現(xiàn)象，不僅需要對(duì)光現(xiàn)象的認(rèn)知，還需要對(duì)涉及到的電磁學(xué)、原子結(jié)構(gòu)、光譜等知識(shí)有比較好的知識(shí)背景.所以我們的教學(xué)應(yīng)該與初中生的實(shí)際水平相符.為此，我們認(rèn)為關(guān)于光的三原色問(wèn)題，教學(xué)中應(yīng)注意兩點(diǎn).

第一，原理要正確，概念要清楚.在向?qū)W生說(shuō)明光的三原色時(shí)，如果只是按照“紅光和綠光可以合成黃光”的說(shuō)法向?qū)W生表述，則會(huì)很容易讓學(xué)生產(chǎn)生歧義，誤以為三原色光混合可以產(chǎn)生新的單色光，就如本文在開(kāi)篇講到的事例.因此可以在表達(dá)的時(shí)候稍作說(shuō)明——紅光和綠光混合看到的黃色，僅是人的感受，而非真正的黃色光，而且還可以通過(guò)讓學(xué)生辨別本文開(kāi)始給出的那些問(wèn)題讓學(xué)生思考，幫助學(xué)生構(gòu)建更清晰的認(rèn)識(shí).

第二，重視實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生形成清晰物理圖景上的重要意義.初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于這部分的要求是“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解白光的組成和不同色光混合的現(xiàn)象”，但是我們?cè)诮虒W(xué)時(shí)，不僅要看到“了解”，還應(yīng)該看到“通過(guò)實(shí)驗(yàn)”.教學(xué)中可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生探尋原理背后的含義，而不只是背誦課本上的定義.比如可以設(shè)計(jì)這樣的兩步實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)：首先，學(xué)生分別觀察黃光光源以及紅光、綠光的混合光源發(fā)出的光，并說(shuō)明看到的顏色，比如文獻(xiàn)[7]和[8]中提出的實(shí)驗(yàn)方案;然后，再讓學(xué)生透過(guò)三棱鏡再次觀察黃色光源和紅、綠光的混合光光源，然后再說(shuō)明其觀察結(jié)果.這樣學(xué)生對(duì)于“看到黃光”就會(huì)有更清晰的認(rèn)識(shí)，也有助于形成統(tǒng)一自洽的關(guān)于光的認(rèn)知體系.

物理學(xué)是讓學(xué)生看見(jiàn)光彩、聽(tīng)見(jiàn)聲音的學(xué)科，在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)自己的感官和行動(dòng)與大自然密切互動(dòng)并探究本質(zhì)的學(xué)科，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中生成學(xué)習(xí)興趣和探究的愿望，并引發(fā)對(duì)環(huán)境保護(hù)、國(guó)家發(fā)展責(zé)任的學(xué)科.所以物理教學(xué)不是把眾多的結(jié)論塞進(jìn)學(xué)生的腦子里，而是要讓學(xué)生在觀察、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行辨別、分析和推理，并最終形成對(duì)世界的科學(xué)的看法的過(guò)程.所以，物理核心素養(yǎng)特別強(qiáng)調(diào)物理觀念的建構(gòu)，強(qiáng)調(diào)在科學(xué)探究中辨別、推理、反問(wèn)，建構(gòu)自己的觀點(diǎn)，并在評(píng)價(jià)和反思中達(dá)到理論的自洽及理論與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合.而且當(dāng)今世界，知識(shí)的獲取越來(lái)越便捷，但個(gè)體清晰的學(xué)科框架的生成、基于原理和現(xiàn)實(shí)推理的能力和反思批判的能力的培養(yǎng)就顯得越來(lái)越重要.初中生面臨的不僅是中考，更重要的是他們是國(guó)家未來(lái)的建設(shè)者.所以我們的教學(xué)，不僅要關(guān)注學(xué)生對(duì)結(jié)論的記憶，更要從“立德樹(shù)人”的角度認(rèn)識(shí)我們的教學(xué)的價(jià)值和意義，關(guān)注他們學(xué)習(xí)過(guò)程中的困難和問(wèn)題，并給他們提供恰當(dāng)?shù)膸椭?

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（收稿日期：2020-12-03）