徐新兵　張志巖　項(xiàng)淳

利用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由電機(jī)帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，使霍爾開(kāi)關(guān)記錄磁鐵擾動(dòng)頻率，擾動(dòng)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(jìn)行交疊，進(jìn)行光的合成。

? 1.視覺(jué)暫留現(xiàn)象

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

? 2.研究過(guò)程

為了符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，采用了學(xué)生更容易觀察理解的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)方式。使用調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)磁鐵對(duì)霍爾開(kāi)關(guān)進(jìn)行擾動(dòng)以顯示擾動(dòng)的頻率，同時(shí)，通過(guò)相同的擾動(dòng)方式控制發(fā)光體的發(fā)光，觀察視覺(jué)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(jī)，馬達(dá)12齒，反復(fù)驗(yàn)證，該電機(jī)轉(zhuǎn)速均勻。

器材二：通過(guò)可調(diào)電阻來(lái)改變電機(jī)中的電流，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用磁鐵的機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式來(lái)干擾霍爾開(kāi)關(guān)，通過(guò)連接頻率計(jì)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(jī)與頻率計(jì)供電，而發(fā)光二極管用普通電池供電。

? 2.2電路的設(shè)計(jì)

由于要用到不同的電壓值，所以整個(gè)電路分成12V供電與3V供電兩個(gè)部分，分割成兩個(gè)獨(dú)立的電路。

圖1：電機(jī)調(diào)速與頻率測(cè)定電路

圖2：閃光控制與顯示電路

圖3：機(jī)箱面板布局圖

注：1為12V電源開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)K1；2為調(diào)速電阻旋鈕；3為頻率計(jì)；4為電源開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)K2；5為白光控制開(kāi)關(guān)，對(duì)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(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)K4；8為綠色閃光控制開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)K5；9為藍(lán)色閃光控制開(kāi)關(guān)，對(duì)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(jī)箱采用現(xiàn)成的機(jī)箱外殼，面板上主要由磁鐵擾動(dòng)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(jī)箱頂部安裝轉(zhuǎn)動(dòng)與傳感元件。

左側(cè)由1、2、3組成磁鐵擾動(dòng)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(dòng)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(lán)色閃光的通斷，然后在三色光閃光顯示區(qū)10上進(jìn)行顯示。

機(jī)箱頂部按設(shè)計(jì)要求安裝電機(jī)，電機(jī)上安裝帶磁鐵的橫桿，在周邊安裝霍爾開(kāi)關(guān)等5個(gè)傳感元件，并安裝上保護(hù)罩。

圖4：機(jī)箱頂部元件布排圖

注：11為電動(dòng)機(jī)，12為磁鐵，13為霍爾開(kāi)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(lán)色閃光的干簧管，18為保護(hù)罩。

? 3.工作原理

利用調(diào)速電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在電機(jī)軸上裝一根橫桿，兩端各裝一塊磁鐵。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)顯示出轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為電機(jī)實(shí)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(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周同樣二次擾動(dòng)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(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化，我們可以看到頻率逐漸加快，到一定頻率時(shí)感覺(jué)不到閃動(dòng)，說(shuō)明到達(dá)了我們視覺(jué)暫留的臨界點(diǎn)，那樣可以定量地知道視覺(jué)暫留的時(shí)間。

? 4.使用方法

? 4.1對(duì)視覺(jué)暫留定量研究的使用方法

合上12V電源開(kāi)關(guān)K1，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，頻率計(jì)顯示即時(shí)擾動(dòng)頻率。

合上3V電源開(kāi)關(guān)K2、K3，白色發(fā)光二極管閃光，加快電機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察白色閃光變化，當(dāng)感覺(jué)到無(wú)閃爍時(shí)，記下頻率值N，則此時(shí)視覺(jué)暫留時(shí)間為1/N秒。

? 4.2三原色光利用人的視覺(jué)暫留合成的使用方法

合上開(kāi)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(jī)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(jué)暫留時(shí)間探索的使用方法

合上K1、K2、K4，加快電機(jī)速度，當(dāng)紅光無(wú)閃爍時(shí)得到紅光視覺(jué)暫留時(shí)間。

用同樣方法探究綠色光與藍(lán)色光的視覺(jué)暫留時(shí)間。

? 5.結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處在于利用電機(jī)帶動(dòng)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(jué)暫留現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)利用三色發(fā)光二極管對(duì)光進(jìn)行合成，并將其推廣到利用不同顏色的光線進(jìn)行對(duì)不同色光的視覺(jué)暫留時(shí)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(shí)驗(yàn)室”開(kāi)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(hào)：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(jí)中學(xué)）