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[作品案例] 关于如何组合光的三原色合成其他颜色的光的探究实验

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发表于 2020-9-28 18:35:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 S1551688963 于 2020-9-28 18:35 编辑

关于如何组合光的三原色合成其他颜色的光的探究实验
一、探究课题
本实验的探究课题为如何组合光的三原色形成其他颜色的光,从而光中包含有不同颜色的光的科学原理。
二、内容标准
6.2太阳光包含不同的颜色的光。
5-6年级:知道太阳光中含有不同颜色的光。
插图1:小学科学课标截图1.png

插图2:小学科学课标截图2.png

插图3:小学科学课标截图3.png

三、科学原理
本探究课题涉及到光的色彩论,十八世纪伟大科学家艾萨克.牛顿奠定了近代色彩研究的科学基础。他发现了光的色彩奥妙,经过系统的观察及研究实验,得出:当一束白光通过三棱镜时,它将通过两次折射,其结果是白光被分解为有规律的七种彩色光线。这七种色彩依次为:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,且顺序是固定不变的。这也就是人人们常说的“七色光”。而这七种光线经过三棱镜的反向折射之后,又会合成一束白光。于是,1666年牛顿发表学说——“色彩在光线中”。牛顿的三棱镜试验,就是后来为人熟知的著名的“色散试验”。这也是《小学科学课程标准》中要求同学们认知的科学概念“太阳光包含不同颜色的光”。在这个基础上,我们通过结合开源硬件进行进一步的科学探究。
插图4:光的散射实验.jpg
插图5:光的三原色.png
发现光的色散奥妙之后,牛顿开始推论:既然白光能被分解及合成,那么这七种色光是否也可以被分解或合成呢?一段时间后,牛顿通过计算,得出了一个结论:七种色光中只有红、绿、蓝三种色光无法被分解,于是也就谈不到合成了。而其他四种色光均可由这三种色光以不同比例相合而成。于是红、绿、蓝则被称为“三原色光”或“光的三原色”,RGB(Red,Green,Blue)。

我们基于牛顿的光的色彩论进行如何合成光的三原色组成其他颜色的光的科学探究。实验装置设计如下图所示:
插图6:实验装置俯视图.jpg

插图7:实验过程.jpg

(1)装置主要用到如下器材:
  
名称
  
  
数量
  
  
数字食人鱼红色LED发光模块
  
  
1
  
  
数字食人鱼绿色LED发光模块
  
  
1
  
  
数字食人鱼蓝色LED发光模块
  
  
1
  
  
模拟角度传感器Rotation  Sensor V1
  
  
3
  
  
掌控板2.0编程入门学习主控板
  
  
1
  
  
micro:bit掌控I/O扩展板
  
  
1
  
(2)装置的实验原理
转动旋钮,改变旋钮的值,三个LED灯的亮度值对应三个旋钮的亮度值,从而改变红绿蓝三个LED灯的亮度,同时让彩色RGB灯的“R”、“G”、“B”三色的数值与旋钮值对应,就可以让旋钮的值同时影响RGB彩灯的颜色。这样一来,RGB彩灯的颜色就等于是红绿蓝三个LED灯合成的颜色,或者可以说,RGB灯的颜色可以分解为三个LED灯的颜色。最后通过SIOT物联网,记录并导出实验数据。

(3)装置程序截图
1.png



2.png


四、学习目标
1.科学知识
知道太阳光中包含不同颜色的光,通过色散实验可以把太阳光分解成七种颜色的光,其中红、绿、蓝无法再被分解,成为光的三原色,其余的四种颜色的光以及白光可以通过红、绿、蓝三种色光以不同比例合成。
2.科学探究
(1)会使用开源硬件以及编程模拟三原色,并合成为彩色RGB灯,从而直观地观察到三原色如何合成其他不同颜色的色光;
(2)记录模拟的过程,分析橙、黄、靛、紫以及白光的其他色光的合成需要的三原色光的不同比例,并分析;
(3)根据模拟活动和生活经验解释彩色电视机等的显色原理;
3.科学态度
能从身边的自然现象中发现其科学原理,并积极结合现代化信息技术开展科学探究活动,从而产生对自然探究的兴趣。
五、教学重难点
重点:理解太阳光中包含不同颜色的光以及三原色光可以合成其他色光的原理。
难点:探究不同色光的合成所需的三原色光的比例。
六、教学过程设计
(一)课题引入:彩虹实验:利用喷壶在阳光下“制造”彩虹,引出驱动任务:在自然界中什么情况下才能看到彩虹,彩虹的形成需要什么条件。
(二)色散实验:利用三棱镜等工具分离阳光,知道阳光有不同的颜色。提出问题:那么如何把分离的七彩光线合成白光呢?
(三)自主学习:学生阅读关于牛顿的光的色彩论的资料,了解到太阳光分解的七种光线经过三棱镜的反向折射之后,又会合成一束白光。而牛顿通过进一步探究发现红、绿、蓝三种色光无法再分解,反而可以合成其他的色光。
(四)探究实验:
1.实验开始前,教师展示“光的三原色组成实验装置”:
(1)打开装置,按A键或B键选择模式:有网络及装有SIOT服务器电脑的条件下,选择服务器模式,通过电脑和SIOT服务器记录实验数据,条件不允许的情况下选择离线模式,通过纸和笔记录实验数据。实验过程可以按“A+B”重新选择模式。电脑启动SIOT服务器,选择服务器模式,装置自动连接wifi和SIOT服务器:
插图9:模式选择.jpg



插图10:装置成功连接wifi.jpg


插图11:装置成功连接SIOT服务器.jpg


(2)连接wifi和服务器后,装置开始工作,分别转动红、绿、蓝三个LED灯,即可改变、G、B三种颜色的值,结果会在掌控板的OLED屏幕显示出来,同时通过三个LED灯直观地显示红、绿、蓝三种颜色的光色,通过三种颜色合成的RGB颜色也会通过掌控板的RGB灯显示出来。

插图12:实验过程 .jpg

(3)观察掌控板上RGB彩灯的颜色,通过mind+的串口通讯,把观察到的颜色通过串口发送,程序自动把R、G、B的值以及所记录的颜色一并发送到SIOT服务器。
插图13:通过串口输入观察到的灯色.png


SIOT服务器记录到的实验数据.png

(4)导出SIOT服务器的数据,简单整理后就能轻松得到实验数据。


插图14:导出到excel表格的实验数据.png

2.教师演示完毕,学生分组进行实验:
(1)在有条件的情况下,实验操作过程中可以给每个小组各分发一个实验装置,配套电脑进行实验数据的快速记录;
(2)在条件不允许(如电脑、wifi条件不满足)的情况下,可以只分发装置给学生,不配套电脑,学生通过装置观察实验结果,通过纸质表格记录实验数据。
  
  
  
亮度
  
  
  
  1
  
  2
  
  3
  
  4
  
  5
  
  7
  
  R
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  G
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  B
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  RGB(颜色)
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
(五)小组讨论,分析数据:以小组为单位分析总结三原色光合成的规律。
(六)分享交流:在全班同学面前分享探究实验的结果以及感受。
后记:
在科学教学过程中,光的三原色实验往往只能通过三棱镜进行光的散射实验进行观察,三棱镜的实验虽然能看到光的散射现象,操作上也没有太大的难度,但是该实验无法量化,而且无法反向进行,只能观察到光的散射,无法观察到光的合成。
本装置成本低,效果好。利用本装置,可以对“光是由红、绿、蓝三种颜色合成”这一现象进行量化,让学生分别通过改变“R、G、B”的值,既直观地看到合成的光色的改变,也能通过R、G、B的数值对合成的光色进行量化,让实验变得非常直观,物联网的运用则让实验数据的记录变得非常快捷和简单,大大提高了实验的效率。
本装置同时设置服务器模式和离线模式,确保在没有网络或者电脑的情况下也能够照常进行实验,降低了装置使用的门槛,只要带上充电宝,任何条件下都可以通过本装置进行实验。

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    发表于 2020-9-30 09:22:00 | 显示全部楼层
    老师您好,请别忘了署名和单位哦
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