自制數字化實驗教具探究視覺暫留

徐新兵　張志巖　項淳

利用可調電阻調節電機轉速，由電機帶動磁鐵轉動，使霍爾開關記錄磁鐵擾動頻率，擾動四只干簧管，其中一只控制白色發光二極管，另三只控制三原色光二極管閃爍，并投射到顯示區上進行交疊，進行光的合成。

? 1.視覺暫留現象

在當前物理教學中，常常運用三原色旋轉盤或七原色旋轉盤來進行高速旋轉演示，利用人眼的視覺暫留效應可以將反射光合成為白光。據書籍介紹，通常人眼的視覺暫留時間介于0.1s～0.4s之間。而現有教具只能定性研究視覺暫留現象。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

為了符合學生認知特點，采用了學生更容易觀察理解的機械轉動方式。使用調速電機帶動磁鐵對霍爾開關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光體的發光，觀察視覺暫留和光的合成現象。

? 2.1器材的選取

器材一：12v全銅線的直流電機，馬達12齒，反復驗證，該電機轉速均勻。

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

器材三：選擇干簧管作為控制發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，而發光二極管用普通電池供電。

? 2.2電路的設計

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，對應K1；2為調速電阻旋鈕；3為頻率計；4為電源開關，對應K2；5為白光控制開關，對應K3；6為白光閃光顯示區，外部安裝乳白色半透明光罩，內部安裝白色發光二極管；7為紅色閃光控制開關，對應K4；8為綠色閃光控制開關，對應K5；9為藍色閃光控制開關，對應K6；10為三色光閃光顯示區域，外部安裝乳白色半透明光罩，內部安裝三原色發光二極管。

? 2.3元件的整體布排

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

左側由1、2、3組成磁鐵擾動控制與頻率顯示區域。由1控制k1，由2控制可調電阻，由3顯示磁鐵擾動頻率。

右側由4～10組成閃光控制與顯示區域，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10上進行顯示。

機箱頂部按設計要求安裝電機，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，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

利用調速電機控制轉動速度，在電機軸上裝一根橫桿，兩端各裝一塊磁鐵。電機轉動時，通過霍爾開關顯示出轉動的頻率為電機實際轉速2倍的頻率值，另裝一干簧管，連接一只白色的發光二極管，那么電機每轉動一周同樣二次擾動干簧管使發光二極管電路導通，則顯示的頻率值與觀察到發光二極管閃光的頻率是同步的，通過電機轉動速度的變化，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K1，電機轉動，頻率計顯示即時擾動頻率。

合上3V電源開關K2、K3，白色發光二極管閃光，加快電機轉速，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K1、K2、K4、K5、K6，可觀察到乳白色罩上有相互重合色彩的現象，調節電機轉速，可明顯觀察到中間三原色的疊加區呈白色。

? 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.結語

本設計創新之處在于利用電機帶動磁鐵讓干簧管控制發光二極管閃光從而觀察到人的視覺暫留現象，實驗過程中，通過利用三色發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—云思智學教育數字化戰略實驗室”開放基金資助課題“數字化教學資源建設與應用研究”（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甪直高級中學）