三色板实验的原理及改进
三色板实验的原理及改进
初中物理课本第一册中关于“三色板”小实验写道：
照图6—29（本文中的图1）那样，在白色圆形的硬纸板上帖上红、绿、蓝三种色纸，把圆纸板安装在陀螺上，使陀螺快速旋转，观察纸板上的颜色。
如果改变三色板上三种颜色的深浅程度，当陀螺很快旋转的时候，看到三色板又是另一种颜色。这样，调配红、绿、蓝三种颜色的深浅，我们便可以得到不同的颜色。”
图1
但是，多次做这个实验，既得不到白色也得不到各种各样的颜色，实际情况是：当三色板上的三种颜色均较深时，结果是灰白色；当任意一种或任意两种颜色逐渐变浅时，则颜色更淡，更接近于白色。总之只通过调配三种颜色的深浅程度，是得不到各种颜色的。
基于这一事实，河北青龙县文教局教研室金尚英老师认为有必要对三色板的实验原理作一简要地阐述，并对如何做好这个实验提出改进意见。
实验原理
自然界中的可见光，频率连续分布，光的颜色是由光的频率决定的，每一种频率的光均对应着一种特定的颜色。单一频率的光叫单色光，但单色光在自然界中和实验室里是理想化的。一般情况下人眼所感受的光都是某一频段或包含着某几个频段的光，这种光称为复色光。当某一频段的光，频段很窄时，我们就可以近似地认为它是单色光。
通常人眼所感到的物体的颜色取决于照射光的光色和被照射物体的特性。当用白光照射时，物体的颜色就仅仅取决于物体本身的特性。每一物体都能有选择性地吸收某一频段的色光而反射被吸收频段以外的色光，人眼所感到的物体的颜色是被物体反射的各色光中强度最大的色光的颜色。
根据人眼彩色视觉的生理特征，三基色原理认为，彩色是一个三度的量，任意选定三种彩色，只要这三种彩色中的任意一种彩色都不能由其他两种彩色混合而得到，这三种彩色就可以作为基色，叫三基色。任意四种彩色中，必有一种彩色可由另外两种或三种彩色按一定的强度比例混合而得到。这就是说将选定的三种基色按不同的强度比例混合，就可以替代自然界中各种各样的彩色。
彩色的混合方式有两类：一类是色光的混合，一类是颜料的混合。本文只谈色光的混合。色光的三基色是红、绿、蓝，将三种基色光按不同的强度比例相加混合而得到不同彩色的方法，称为加法混色法，方法主要有以下三种：
（1）直接混色法：将三基色光同时投向同一空间位置上直接相加混合。如将红、绿两种色光同时射向同一幅白屏上，如果红光逐渐由强变弱，而绿光逐渐由弱变强，人眼所看到的白屏的颜色变化是红→橙→黄→草→绿→绿（注意这里是改变红、绿两种色光的强弱而不是改变它们的深浅）。
（2）空间混色法：由于人眼的分辨能力有一定限度，使人眼具有空间混色效应。例如，在一个平面上的某一个小区域内，均匀地布满了距离极近的两种或三种颜色的色点，当人眼在一定的距离之外观看时，分辨不出其中每一个色点的颜色，而感到这个小区域是由这几种颜色混合而呈现出的一种新的颜色。彩色电视机就是这样混色的。
（3）时间混色法：由于人眼的视觉惰性（视觉暂留，视觉暂留时间的长短与光的强弱及色调有关，一般在1/30—1/15秒之间，平均约为1/20秒左右），使人眼具有时间混色效应。如当两种或几种颜色在眼前迅速地轮换出现时，也会感到在眼前只呈现出一种新的颜色。三色板就是这样混色的。
从初中物理课本的图示（如图1所示）可以看出，红、绿、蓝三种颜色在圆板上所占的面积是大致相等的。当三色板迅速旋转时，我们所看到的三色板的颜色如前所述，一般为较暗的灰白色，而不是纯白色，这是因为：①所调配的红、绿、蓝三种颜色调不准确，不是本文中所给出的人眼三个光敏器官最为敏感的三个频率的色光所对应的颜色。②三种颜色分别反射的三种色光的强度比例不当，与白光对人眼所产生的光刺激效果不同。③三种颜色的饱和度较高，即颜色较深，其反射光中含白色很少，总的强度不足，这与我们在傍晚时看到一张白纸并不那么白道理相同。
如何做好三色板实验？
方法是有的，而且既简便、效果又好。这种方法不是改变红、绿、蓝三种颜色的深浅程度，而是通过改变三种颜色在三色板上所占面积的比例，而使三种色光对人眼感光细胞的刺激强弱比例发生变化，引起不同的彩色视觉。为了得到不同的彩色视觉，我们无需一张张地画出三种颜色所占面积比例不同的许多张圆板，只需按图2所示的形状和尺寸剪出六张圆形纸板（纸板用相当于一般书皮厚度的白纸即可）分别涂上深红、深绿、深蓝和浅红、浅绿、浅蓝，将深红、深绿、深蓝三个圆纸板互相迭套在一起，迭套方法如图3所示。再将浅红、浅绿、浅蓝三个圆纸板也按上述方法迭套在一起。如果把迭套在一起的深红、深绿、深蓝三个圆纸板套在小陀螺上，改变三种颜色的圆纸板露出部分的面积，每改变一次，当三色板迅速旋转时，都可以使我们看到三色板呈现出某一种特定的较深的颜色，通过改变三种颜色露出部分的面积比例，可以使我们看到三色板上能够呈现出自然界中由深红直至深紫等各种各样的较深的颜色。例如，当绿色圆板全部被遮住而红、蓝两色所占面积大致相等时，三色板呈深紫色，若红色面积大于蓝色面积时，呈深紫红色，若红色面积小于蓝色面积时，呈深红紫色。
图2
图3
但是用这一组三色板很难得到亮白色，其原因主要是三种颜色所反射出来的三种色光的强度不足。如果把迭套在一起的浅红、浅绿、浅蓝三个圆纸板套在小陀螺上，实验时，每改变一次三种颜色露出部分的面积比例，都可以使我们看到三色板上呈现出某一种较浅的颜色。若浅红、浅绿、浅蓝三种颜色露出部分的面积比例适当，就会看到三色板上呈现出几乎与白纸一样的亮白色。
做好这个实验，三色板上红、绿、蓝三种颜色的正确配制很重要。例如红色，就其名称就有深红、大红、洋红、朱红、品红、枣红、粉红……我们在制做时，板上所涂的红、绿、蓝三种颜色究竟是什么样的，本文为制做者提供几个参考的途径：
①这三种颜色应当尽可能地接近人眼三种光敏器官最为敏感的三种色光的颜色，本文已给出它们的频率数值、对照太阳光谱的彩色插图，就可以知道这三种颜色的色度（要注意有一些书中或挂图上太阳光谱的各种彩色的调配不很准确）。
②有电视机维修技术的同志，还可以打开彩色电视机的后盖，有的彩色电视机的机内有红、绿、蓝三个调节色调的旋钮，分别开启其中的一个、并关闭另外的两个，就可以从荧光屏上分别看到我们应该选取的红、绿、蓝三种颜色。
对于改进后的三色板实验，其原理可简述如下：
三色板上涂有红、绿、蓝三种颜色，三种颜色分别以反射红、绿、蓝三种色光的强度最大，当三色板迅速地旋转时，三种色光即按一定的强度比例迅速地轮换刺激人眼视网膜上的感光细胞，因人眼具有异谱同色效应和时间混色效应，于是人眼将这三种颜色混合在一起，产生一种新的彩色视觉。当三种颜色所占面积比例不同时，三种色光对人眼感光细胞产生的光刺激的比例亦不相同，因而引起不同的彩色视觉，使我们感到三色板上呈现不同的颜色。当三种颜色的色调、深浅和面积比例适当，使三种色光对人眼的光刺激能够与白光等效时，我们就会看到三色板呈白色。