1、研究對(duì)象要貼近生活
文科生通常對(duì)實(shí)驗(yàn)中的科研對(duì)象感到陌生、深?yuàn)W、神秘，甚至產(chǎn)生距離感。 他們?cè)趯?shí)驗(yàn)課上有抵觸感和恐懼感是很正常的。 本實(shí)驗(yàn)提供了市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾種“白光”電光源作為研究對(duì)象，包括白熾燈、護(hù)眼燈（熒光燈）、家用節(jié)能燈（緊湊型熒光燈）、手電筒（LED燈）和低壓燈。 水銀燈，這讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)這些貼近生活的研究對(duì)象不再陌生，反而會(huì)感覺(jué)非常熟悉，自然就不會(huì)再有恐懼甚至抵觸情緒。
2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)設(shè)計(jì)得更有趣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀。
2.1 光譜展示與研究
電光源已從傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈發(fā)展到現(xiàn)在的LED燈、節(jié)能燈（緊湊型熒光燈）、護(hù)眼燈等，那么，這些高科技產(chǎn)品有哪些特點(diǎn)呢？ 學(xué)習(xí)時(shí)如何選擇光源？ 他們接觸到的光源是否環(huán)保？ 這對(duì)你的健康有好處嗎？ 通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以回答這些與生活密切相關(guān)的問(wèn)題。 這不僅可以激發(fā)文科學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以讓學(xué)生學(xué)以致用，運(yùn)用這些常識(shí)，使自己在生活中受益。 僅憑肉眼，學(xué)生只能感受到光源的亮度和色調(diào)的差異。 然而，利用棱鏡和光譜儀通過(guò)折射分解復(fù)雜的光，學(xué)生可以觀察到不同光源呈現(xiàn)的不同顏色的光譜線——光譜。 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中觀察到的幾種常見(jiàn)白光源的光譜。 實(shí)驗(yàn)中看到的奇幻多彩的“彩虹”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不僅引起了文科生的強(qiáng)烈學(xué)習(xí)興趣，也輕松揭開(kāi)了這些高科技光源的神秘面紗。 這也形象地證實(shí)了，雖然有幾種光源發(fā)出白光，但所謂的白光實(shí)際上是復(fù)合光，是與多種顏色的可見(jiàn)光按一定強(qiáng)度和比例混合而成的。 由于發(fā)光機(jī)制不同，光譜線（或光譜帶）的顏色和條帶也有所不同。 數(shù)字也不同。 學(xué)生看到：1）白熾燈的光譜是可見(jiàn)光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，有七種顏色，屬于熱釋光。 這種類型的光譜還包括陽(yáng)光和燭光。 2）白光LED的光譜是離散的窄帶。 該帶只有三種基色：紅、綠、藍(lán)。 它是一種固態(tài)發(fā)光器件。 3）熒光燈、節(jié)能燈和低壓汞燈屬于氣體放電發(fā)光。 由于汞蒸氣被封裝在內(nèi)部，因此光譜包含離散的譜線。 熒光燈和節(jié)能燈分別采用鹵磷酸鈣熒光粉發(fā)光，稀土三基色熒光粉發(fā)光。 后者的發(fā)光效率更高，因此更節(jié)能。 從低壓汞燈的光譜中，我們可以清楚地看到5條離散的譜線，分別是黃、綠、青、藍(lán)、紫，它們對(duì)應(yīng)著汞原子的特征譜線。 通過(guò)光譜比較，學(xué)生可以體驗(yàn)各種光源的異同，了解其發(fā)光機(jī)理。 有興趣的同學(xué)還可以進(jìn)一步了解其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)，比如利用三基色LED燈進(jìn)行顏色合成和匹配實(shí)驗(yàn)。
2.2 頻閃顯示及研究
說(shuō)到“頻閃”光源，學(xué)生們可能會(huì)覺(jué)得抽象、陌生，但如果用手機(jī)上的攝像頭或視頻模式，將其對(duì)準(zhǔn)電腦顯示器、臺(tái)燈或電視屏幕進(jìn)行觀察，學(xué)生就會(huì)覺(jué)得很陌生。驚訝地發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)亮的光源都在閃爍。 然后學(xué)生提出一系列問(wèn)題：為什么光源會(huì)閃爍？ 為什么肉眼無(wú)法察覺(jué)？ 頻閃現(xiàn)象對(duì)生活有什么影響？ 如何利用或避免頻閃現(xiàn)象？ 為了深入理解頻閃的含義，特意設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用黑匣子觀察臨界閃爍頻率。 使用信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)黑匣子中的LED燈發(fā)光。 當(dāng)頻率很低時(shí)，你可以很容易地分辨出光源先亮后暗。 當(dāng)頻率增加時(shí)，光源由粗閃爍變?yōu)榧?xì)閃爍。 當(dāng)頻率繼續(xù)增加，達(dá)到一定值時(shí)，由于人眼的視覺(jué)暫留特性，學(xué)生感受到的不再是閃爍的光，而是連續(xù)的光。 此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率就是臨界閃爍頻率。 如果增加背景光（點(diǎn)亮黑匣子中的另一個(gè)LED燈），您會(huì)發(fā)現(xiàn)臨界閃爍頻率降低。 這是因?yàn)榕R界閃爍頻率還與一些因素有關(guān)（如光源強(qiáng)度、背景光色強(qiáng)度、觀察者的身體因素等），其理論參考值為45.8Hz。 通過(guò)以上簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)了解到，普通熒光燈采用頻率為50Hz（1s內(nèi)變化50次）、電壓為220V的正弦交流電作為電源，其閃爍頻率為100Hz； 他們還知道，由于視覺(jué)暫留效應(yīng)，電影（24幀/秒和24塊/秒，傳輸頻率為48Hz）和電視（25幀/秒，采用隔行掃描，傳輸頻率為50Hz），其原因?yàn)槭裁催@些閃爍的圖像看起來(lái)是連續(xù)的。
2.3 波動(dòng)深度研究
文科學(xué)生尤其關(guān)心眼睛疲勞和電光源的選擇標(biāo)準(zhǔn)。 學(xué)生們常常有這樣的體會(huì)：在寬敞明亮的自習(xí)室里學(xué)習(xí)通常比在宿舍的臺(tái)燈下看書(shū)更舒服，眼睛也不那么累。 面對(duì)市場(chǎng)上五花八門(mén)打著高科技旗號(hào)的臺(tái)燈產(chǎn)品，如何判斷和選擇這些產(chǎn)品呢？ 事實(shí)上，最理想的光是變化極其緩慢的自然光。 對(duì)于穩(wěn)定的照明光線，眼睛的瞳孔調(diào)節(jié)相對(duì)固定，調(diào)節(jié)量較小，不易對(duì)眼睛的光學(xué)系統(tǒng)造成損傷和視疲勞； 對(duì)于不穩(wěn)定的光線，學(xué)習(xí)時(shí)需要經(jīng)常調(diào)節(jié)眼睛的瞳孔，且調(diào)節(jié)量較大，容易造成眼睛光學(xué)系統(tǒng)損傷和視疲勞。
3、實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)操作簡(jiǎn)單
本實(shí)驗(yàn)涉及的基本實(shí)驗(yàn)儀器是光譜儀和示波器。 以往，針對(duì)光譜儀設(shè)置了“光譜儀調(diào)節(jié)及棱鏡頂角測(cè)量實(shí)驗(yàn)”，但學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)節(jié)枯燥、繁瑣、困難。 調(diào)整部分占用了大部分時(shí)間，稀釋了儀器使用部分的內(nèi)容。 專注使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容枯燥，實(shí)驗(yàn)后學(xué)生很難對(duì)儀器的使用留下深刻的印象。 針對(duì)這種情況，本實(shí)驗(yàn)只需要對(duì)光譜儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，由老師在課前進(jìn)行粗略調(diào)整。 上課時(shí)，學(xué)生只需調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)和望遠(yuǎn)鏡的位置即可觀察彩色光譜線。 為了使頻閃和脈動(dòng)深度的觀測(cè)變得簡(jiǎn)單，自制了一個(gè)黑匣子。 頂蓋可拉出模擬暗室，避免室內(nèi)光源干擾。 側(cè)面設(shè)有窗戶文科物理實(shí)驗(yàn)論文，可以讓學(xué)生直接體驗(yàn)波動(dòng)的影響。 黑匣子內(nèi)部主要包括2個(gè)LED光源和光信號(hào)檢測(cè)元件硅光伏電池。 2個(gè)LED燈，分別由外部直流電源和交流電源驅(qū)動(dòng)，該裝置可用于模擬頻閃和波動(dòng)深度。 只有幾個(gè)旋鈕可供學(xué)生調(diào)節(jié)。 這些簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)操作，讓文科學(xué)生更容易上手，增加學(xué)生的成就感和實(shí)驗(yàn)熱情，讓學(xué)生的注意力集中在實(shí)驗(yàn)觀察和結(jié)果分析上。
4、高科技手段輔助展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了讓學(xué)生了解科學(xué)前沿，進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，我們演示了科研中使用便攜式微光纖光譜儀測(cè)量的上述光源光譜。 由于光譜儀采用分光元件作為光柵，波長(zhǎng)也經(jīng)過(guò)了線性校準(zhǔn)，譜線測(cè)量范圍較寬，可以更準(zhǔn)確地反映光譜特性。 因此，學(xué)生可以進(jìn)一步看到紫外和紅外區(qū)域的光譜。
5.深入淺出地分析、理解和延伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)光譜實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，學(xué)生在日常生活中應(yīng)注意避免隨意丟棄含汞燈泡； 同學(xué)們也提高了自我保護(hù)的科學(xué)意識(shí)文科物理實(shí)驗(yàn)論文，要盡量多接觸陽(yáng)光，避免長(zhǎng)時(shí)間在缺失譜線的光源下學(xué)習(xí)，遠(yuǎn)離紫外線照射。 這種“光污染”拉近了學(xué)生與高科技產(chǎn)品的距離，也了解了一些生活中的科技術(shù)語(yǔ)，如“紅外線理療”、“紫外線殺菌”等，啟發(fā)學(xué)生思考一些貼近生活的小實(shí)驗(yàn)。 例如：如果沒(méi)有棱鏡，可以用電腦光盤(pán)對(duì)光進(jìn)行分光，得到光源的光譜； 當(dāng)水滴滴在電腦顯示器（或手機(jī)屏幕、電視屏幕）上時(shí)，可以看到紅、綠、藍(lán)三基色。 由此，我們可以認(rèn)識(shí)到白光是復(fù)合光的事實(shí)。 通過(guò)頻閃實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生思考為什么高速行駛的輪子有時(shí)看起來(lái)不旋轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)； 如果他們搖動(dòng)鉛筆，他們?cè)陉?yáng)光下和熒光燈下看到的“鬼”有什么不同？ 通過(guò)深度波動(dòng)的研究，學(xué)生可以了解人眼疲勞的根源，培養(yǎng)個(gè)人用眼衛(wèi)生，保護(hù)視力。
六，結(jié)論
本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富有趣，實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單易操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體直觀。 已在文科本科生中試點(diǎn)教學(xué)一學(xué)期，取得了滿意的效果，使文科學(xué)生了解了所謂光源發(fā)出白光的原理。 以及各種光源的發(fā)光特性； 在學(xué)習(xí)和生活中學(xué)會(huì)判斷和利用不同光源，避免光污染； 糾正學(xué)生長(zhǎng)期以來(lái)的一些誤解：如認(rèn)為光源越白越亮，光源就越好。 白色光源與太陽(yáng)光相同。 光源光譜連續(xù)、缺失譜線對(duì)身體無(wú)害等； 并在實(shí)驗(yàn)中掌握了光譜儀、示波器等基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用，提高了動(dòng)手能力。 從不同高科技產(chǎn)品光源的判斷和選擇到個(gè)人用眼衛(wèi)生的培養(yǎng)； 從增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)到遠(yuǎn)離光環(huán)境污染，這些知識(shí)的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)都是大有裨益的。 該實(shí)驗(yàn)可為相關(guān)大學(xué)文科課程物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。
作者：林珊、李俊清、趙海發(fā) 單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系
