自制數(shù)字化實驗教具探究視覺暫留

徐新兵　張志巖　項淳

利用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，由電機帶動磁鐵轉(zhuǎn)動，使霍爾開關(guān)記錄磁鐵擾動頻率，擾動四只干簧管，其中一只控制白色發(fā)光二極管，另三只控制三原色光二極管閃爍，并投射到顯示區(qū)上進行交疊，進行光的合成。

? 1.視覺暫留現(xiàn)象

在當前物理教學(xué)中，常常運用三原色旋轉(zhuǎn)盤或七原色旋轉(zhuǎn)盤來進行高速旋轉(zhuǎn)演示，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)可以將反射光合成為白光。據(jù)書籍介紹，通常人眼的視覺暫留時間介于0.1s～0.4s之間。而現(xiàn)有教具只能定性研究視覺暫留現(xiàn)象。因此制作一臺能夠進行視覺暫留定量研究的儀器。

? 2.研究過程

為了符合學(xué)生認知特點，采用了學(xué)生更容易觀察理解的機械轉(zhuǎn)動方式。使用調(diào)速電機帶動磁鐵對霍爾開關(guān)進行擾動以顯示擾動的頻率，同時，通過相同的擾動方式控制發(fā)光體的發(fā)光，觀察視覺暫留和光的合成現(xiàn)象。

? 2.1器材的選取

器材一：12v全銅線的直流電機，馬達12齒，反復(fù)驗證，該電機轉(zhuǎn)速均勻。

器材二：通過可調(diào)電阻來改變電機中的電流，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。利用磁鐵的機械旋轉(zhuǎn)方式來干擾霍爾開關(guān)，通過連接頻率計可以顯示磁鐵的旋轉(zhuǎn)頻率。

器材三：選擇干簧管作為控制發(fā)光體閃爍的控制元件。

器材四：用12V電源給電機與頻率計供電，而發(fā)光二極管用普通電池供電。

? 2.2電路的設(shè)計

由于要用到不同的電壓值，所以整個電路分成12V供電與3V供電兩個部分，分割成兩個獨立的電路。

圖1：電機調(diào)速與頻率測定電路

圖2：閃光控制與顯示電路

圖3：機箱面板布局圖

注：1為12V電源開關(guān)，對應(yīng)K1；2為調(diào)速電阻旋鈕；3為頻率計；4為電源開關(guān)，對應(yīng)K2；5為白光控制開關(guān)，對應(yīng)K3；6為白光閃光顯示區(qū)，外部安裝乳白色半透明光罩，內(nèi)部安裝白色發(fā)光二極管；7為紅色閃光控制開關(guān)，對應(yīng)K4；8為綠色閃光控制開關(guān)，對應(yīng)K5；9為藍色閃光控制開關(guān)，對應(yīng)K6；10為三色光閃光顯示區(qū)域，外部安裝乳白色半透明光罩，內(nèi)部安裝三原色發(fā)光二極管。

? 2.3元件的整體布排

機箱采用現(xiàn)成的機箱外殼，面板上主要由磁鐵擾動控制與頻率顯示區(qū)域，閃光控制與顯示區(qū)域兩部分組成，在機箱頂部安裝轉(zhuǎn)動與傳感元件。

左側(cè)由1、2、3組成磁鐵擾動控制與頻率顯示區(qū)域。由1控制k1，由2控制可調(diào)電阻，由3顯示磁鐵擾動頻率。

右側(cè)由4～10組成閃光控制與顯示區(qū)域，由4控制k2，5控制k3，由7、8、9分別控制紅、綠、藍色閃光的通斷，然后在三色光閃光顯示區(qū)10上進行顯示。

機箱頂部按設(shè)計要求安裝電機，電機上安裝帶磁鐵的橫桿，在周邊安裝霍爾開關(guān)等5個傳感元件，并安裝上保護罩。

圖4：機箱頂部元件布排圖

注：11為電動機，12為磁鐵，13為霍爾開關(guān)，14為控制白色閃光的干簧管，15為控制紅色閃光的干簧管，16為控制綠色閃光的干簧管，17為控制藍色閃光的干簧管，18為保護罩。

? 3.工作原理

利用調(diào)速電機控制轉(zhuǎn)動速度，在電機軸上裝一根橫桿，兩端各裝一塊磁鐵。電機轉(zhuǎn)動時，通過霍爾開關(guān)顯示出轉(zhuǎn)動的頻率為電機實際轉(zhuǎn)速2倍的頻率值，另裝一干簧管，連接一只白色的發(fā)光二極管，那么電機每轉(zhuǎn)動一周同樣二次擾動干簧管使發(fā)光二極管電路導(dǎo)通，則顯示的頻率值與觀察到發(fā)光二極管閃光的頻率是同步的，通過電機轉(zhuǎn)動速度的變化，我們可以看到頻率逐漸加快，到一定頻率時感覺不到閃動，說明到達了我們視覺暫留的臨界點，那樣可以定量地知道視覺暫留的時間。

? 4.使用方法

? 4.1對視覺暫留定量研究的使用方法

合上12V電源開關(guān)K1，電機轉(zhuǎn)動，頻率計顯示即時擾動頻率。

合上3V電源開關(guān)K2、K3，白色發(fā)光二極管閃光，加快電機轉(zhuǎn)速，觀察白色閃光變化，當感覺到無閃爍時，記下頻率值N，則此時視覺暫留時間為1/N秒。

? 4.2三原色光利用人的視覺暫留合成的使用方法

合上開關(guān)K1、K2、K4、K5、K6，可觀察到乳白色罩上有相互重合色彩的現(xiàn)象，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，可明顯觀察到中間三原色的疊加區(qū)呈白色。

? 4.3不同色光的視覺暫留時間探索的使用方法

合上K1、K2、K4，加快電機速度，當紅光無閃爍時得到紅光視覺暫留時間。

用同樣方法探究綠色光與藍色光的視覺暫留時間。

? 5.結(jié)語

本設(shè)計創(chuàng)新之處在于利用電機帶動磁鐵讓干簧管控制發(fā)光二極管閃光從而觀察到人的視覺暫留現(xiàn)象，實驗過程中，通過利用三色發(fā)光二極管對光進行合成，并將其推廣到利用不同顏色的光線進行對不同色光的視覺暫留時間差異的研究。

本研究系2023年度“華東師范大學(xué)—云思智學(xué)教育數(shù)字化戰(zhàn)略實驗室”開放基金資助課題“數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用研究”（課題編號：202309002）的部分研究成果。

（作者單位：江蘇省蘇州市吳中區(qū)甪直高級中學(xué)）