走进“光”“彩”辉映的世界

［摘 要］物体颜色演示仪的应用，突破了“物体的颜色”教学的难点。以暗箱代替暗室，排除环境光线的干扰；利用定制的滤镜和LED手电筒改良光源，避免实验可能的偏差，以此增强实验的成功率、可重复性和真实性。在教学中突破理解透明物体和不透明物体颜色的难点，并拓展研究光的互补色、色相、明度等概念的学习。

［关键词］物体的颜色；物体颜色演示仪；课外拓展

［中图分类号］ G633.98 ［文献标识码］  A ［文章编号］ 1674-6058（2023）32-0096-03

在华师大版初中科学“物体的颜色”的常态课中，教师往往分别用白光、与玻璃颜色相同的色光、与玻璃颜色不同的色光照射玻璃片，引导学生观察透过光的颜色，从而得出普遍规律：透明物体的颜色是由其透过的色光决定的。随后，教师播放“暗室手电筒实验”的视频，在暗室内观察比较白光以及红、绿、蓝三种色光分别照在不同颜色假花上的颜色，了解到透明的物体只透过相同的色光，不透明的物体只反射相同的色光。最后，教师通过以下例题的检测结束教学。

【例题】在没有其他光照射的情况下，舞台追光灯发出的绿光照在穿白上衣、红裙子的演员身上，观众看到她是（ ）。

A.全身呈绿色

B.上衣呈绿色，裙子不变

C.上衣呈绿色，裙子呈紫色

D.上衣呈绿色，裙子呈黑色

学生往往在学习前早已能够分辨物体的本色，在学习“物体的颜色”后，涉及物体的本色、实际观察到的颜色时就开始“犯浑”了，对“透明的物体只透过相同的色光，不透明的物体只反射相同的色光”这一抽象概念更是疑惑。学生普遍认为“物体的颜色是固有且不可变的”，这一观点虽然错误，却是学生长期生活经验的积累总结。在教学中，由于环境光线的干扰以及有色透明物体的透光率影响，实验效果不尽如人意。播放视频效果也远没有现场实验的效果好。因此，在教学中教师需要多层次、多维度、阶梯式地给学生解释、阐明和应用新的、正确的科学概念。

那么，如何使现场实验更直观呢？笔者从光的三原色演示仪的制作中得到启发：利用自制的简单教具——物体颜色演示仪，以暗箱代替暗室排除环境光线的干扰，用定制的滤镜与LED手电筒改良光源，创造出纯净的三色色光，使实验现象更明显，重复性更强。

一、教具的设计与创新

（一）装置介绍

要制作这样一个教具，首先要统一LED灯的亮度，但更重要的是要对滤镜进行优化选择。对于这一实验，仅利用生活中的一些红色、绿色和蓝色的透明物体来做实验经常会失败，主要原因是这些透明物体透光的波长范围有可能过宽或者其他色光的透过率过高。

红光的波长范围为625～740 nm，绿光的波长范围为492～577 nm，蓝光的波长范围为400～480 nm，仅凭肉眼观察一些滤镜透过光的颜色是不可靠的，要对其透光波长进行控制。在实验中，可以选择透光波长峰值为650（±10）nm的红色滤镜、透光波长峰值为550（±10）nm的绿色滤镜和透光波长峰值为450（±10）nm的蓝色滤镜，这些滤镜的OD值为5，表示截止带透过率为0.001%，尽可能地减少其他色光的透过，能够大幅度地提升实验的效果。

物体颜色演示仪整体的侧视图如图1所示，整个装置主要由绿色滤镜镜片、蓝色滤镜镜片、红色滤镜镜片（上述三种镜片均为40 mm圆形，如图2）、可开合的暗箱、滤镜框（直径为40.5 mm）、人字形塑料片（厚度为2 mm，远端距离中心为30 mm）、小型LED显示屏（可用手机屏幕代替）、印有不同内容的卡纸（大小合适箱体即可）、手机（用于同屏连接投影仪展示）、手电筒制作而成。在该装置中，三种滤镜可透过的光的波长范围与上述“光的三原色合成实验”中保持一致。卡纸选择照相纸，实验前在上方打印相关内容，打印前电脑取色过程中，红色定为RGB（255，0，0），绿色定为RGB（0，255，0），蓝色定为RGB（0， 0， 255），卡纸也可以用小型LED屏代替，取色标准一致。物体颜色演示仪的实物图如图3所示。

（二）创新点

此实验装置有四个主要创新点：

（1）精确控制，增加实验的可重复性。利用滤光性固定的滤镜和数字化控制的LED显示屏或专业打印的卡纸，使得实验过程中的色差较少，增加实验的可重复性。

（2）对比明显，实验富有启发性。在实验过程中，整套实验装置处于封闭的暗箱内，不同颜色的图案在不同颜色的光照下显示出颜色的对比，能够更好地通过大量的实验现象总结出规律和结论，实现探究性学习，实验富有启发性。

（3）直观展现，整体呈现效果好。该实验装置将传统的需要反复思索的物理原理直接呈现，增强了学生的学习兴趣。通过手机摄像头实现教室中的投屏，便于在课堂中向全体学生演示。

（4）一器两用，装置教学价值高。将显示屏放在远端孔中，透过暗箱上的通光孔观察，即可研究透明物体的颜色；而将LED手电筒透过通光孔照射暗箱内远端放置的卡纸或者显示屏，即可观察研究不透明物体的颜色。这套装置在光的三原色实验的基础上进一步研究了物体颜色的成因，具有较高的教学价值。

二、教学应用

（一）研究透明物体颜色的实验步骤和分析

步骤1：组装原装置，对近端孔进行遮光，教师将手机摄像头对准暗箱上的通过光孔，并开启投屏。

步骤2：学生先观察滤光镜片的颜色，然后将小型LED显示屏插入远端孔中。

步骤3：先选择红色滤镜，在小型LED显示屏上同时展示白底红字、白底蓝字、白底绿字，学生通过投屏记录观察到的实验现象。

步骤4：选择另外两种滤镜，分别依序展示上述文字，观察并记录实验现象（如表1）。

利用该实验装置，将原本抽象的内容具象化，加深了学生的理解。在现象记录的基础上进行归纳总结，学生可以自然而然地得出“透明物体的颜色是由其透过的色光决定的”这一结论。

（二）研究不透明物体颜色的实验步骤和分析

步骤1：组装原装置，将LED显示屏（或卡纸）插入远端孔中，手机插入近端孔中，将摄像头对着LED显示屏（或卡纸），通过投屏影像调整手机所在的位置。

步骤2：在LED显示屏上同时显示白底红字、白底绿字和白底蓝字，调整镜头转换器，使得红色滤镜对准暗箱上的通光孔，用手电筒在外侧照射，学生观察并记录实验现象。

步骤3：调整镜头转换器，分别进行绿光下和蓝光下的实验，观察并记录实验现象（如表2）。

改变研究的对象，对实验结果进行归纳总结。学生继续得出不透明物体的颜色是由其反射的色光决定的，白色能反射所有颜色的光，黑色是光被吸收才显示出来的。

三、课外拓展应用

（一）研究互补色

上述两个实验仅对光的三原色的透过和反射现象进行了研究，在教学中还可以通过对其他颜色物体的研究来更加深入地探究互补色原理。

例如对于黄光的组成，可对透明物体颜色实验进行拓展研究。在LED显示屏上显示白底黄字，透过红色滤镜可以观察到红底浅红色的字，透过绿色滤镜可观察到绿底深绿色字，透过蓝色滤镜可观察到蓝底黑色的字。这些现象说明黄色光既可以透过红色玻璃，也可以透过绿色玻璃，但不能透过蓝色玻璃，黄光是一种红绿复色光。如果改变研究对象，对于白底黄字，红光照射下显红色，绿光照射下显绿色，蓝光照射下显黑色，说明黄色物体能够吸收蓝光。通过这两个实验，可以充分地说明黄光的组成和它的互补光，用这种方式还可以迁移到品红色和青色的研究。

（二）实验拓展研究

在教学中，经常会使用非白底的文字来进行实验，一方面能够通过直接的实验现象突破教学难点，另一方面能够引导学生深入探究，如表3所示为部分实验的结果。

不过，按照学生的期待，透过绿色滤镜观察红底蓝字、透过红色滤镜观察蓝底绿字（实验现象如图4所示）和透过蓝色滤镜观察绿底红字都应该是全黑的，文字应该完全消失，因为这些光都不能透过相应的滤镜，然而实际情况却是出现了黑底灰字或灰底黑字，这使得许多学生都感到困惑，还会误认为是实验失败。其实，在滤镜的OD值已经很高的情况下，仍然出现这一现象的主要原因是学生容易将色相和明度这两个概念混淆。

在学生的前概念中，常把白色、黑色、灰色和其他彩色都当成是“颜色”。实际上，光的三原色的界定既有物理学的因素（这三种色光不能由其他色光合成），又有生物学的因素（人眼视网膜中的三种不同的视锥细胞［1］），白光是复色光，而“黑色”则代表着色光被吸收了。人对视觉的感知既包括视锥细胞对RGB三色的感觉，也包括视杆细胞对明暗度的感觉［2］。甚至有研究表明，当人眼在通常的室内环境观察图像监视器屏幕时，对黑白灰度级的分辨力与对三原色灰度级的分辨力没有显著差异［3］。“灰色”中不包含任何色相，是一种视觉经验。因此，黑色、白色和灰色都不能称为色彩。根据RGB明度计算公式可知，几种“颜色”的明度大小比较为：白色>绿色>红色>蓝色。明度越大，越偏白；明度越小，越偏黑。因此，透过红色滤镜观察蓝底绿字时才会出现黑底灰字的现象。同理，透过绿色滤镜观察红底蓝字会观察到灰底黑字。此外，在滤镜OD值不高的情况下，透过红色滤镜观察白底红字，也并不是全红的，往往能隐约地看到文字，这也是由明度不同导致的。

通过对物体颜色演示仪的“深度”使用，引领学生由浅入深地对物体颜色的本质进行深入学习，能够有效地发散学生的思维，培育学生的科学探究能力。

四、教学反思

在物理教学过程中，通过自制教具突破重难点是十分重要的举措。物体颜色演示仪的设计起始于对光的三原色实验的可见性研究，又立足学生的实际需求进行创新性的改进。在学习中，学生先通过光的色散实验了解阳光的组成，再通过三原色实验了解单色光和复色光的特征，最后通过物体颜色的演示实验深入了解透明物体和不透明物体颜色的规律，可以循序渐进、由浅入深地了解和理解“光的组成”这一重要知识，逐步地认识其本质。因此，物体颜色演示仪这一教具的制作为学生清晰而准确地学习该知识提供了重要的素材，能够直观地为学生呈现真实的实验效果，为其分析问题、理解知识、建构物理模型等提供了重要的途径。

［   参   考   文   献   ］

［1］  季卫新，陈栋.基于PCK的研究性备课的区域实践研究：以苏科版初中物理教材“光的色彩、颜色”为例［J］.物理教师，2019（9）：44-49.

［2］  唐永连.视锥细胞、视杆细胞与视觉环境［J］.中国眼镜科技杂志，2003（6）：71-72.

［3］  谢维信，秦桉.人的视觉对灰度级别的分辨能力及视觉内部噪声的研究［J］.航天医学与医学工程，1991（1）：51-55.

（责任编辑 黄春香）