高嵩 王雪

摘 要：关于光的三色光原理部分，很多学生，甚至是教师都认为红、绿、蓝三种色光可以按不同比例混合产生其他各种色光.但基于这个观点会得到很多不合理的结论.本文立足学生核心素养的发展，对这些问题进行了梳理，揭示了三原色以及人们感受到色彩的本质，并进一步提出了相应的教学建议，希望有助于教师改进教学方法，从而学生可以正确地把握物理规律，有助于其物理核心素养的养成.

关键词：三色光原理;颜色;物理教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）06-0006-03

作者简介：高嵩（1972-），女，山东济南人，博士，副教授，研究方向：科学教育的理论与实践方面的研究;

王雪（1996-），女，山东临沂人，硕士研究生，研究方向：物理学科教学.

物理学是提升学生核心素养的基础学科，是学生认识并探索自然界奥秘的重要途径.光学部分，尤其是光的色散和光的混合的问题，在初中阶段似乎不是非常重要，但是学生每天面对这个五光十色的世界，接收信息的最重要的渠道就是通过眼睛，所以学生对与此相关的现象会有着浓厚的兴趣.并且随着学生未来学习的深入，步入高中、大学，乃至科学研究领域，光的问题会越来越重要，所以帮助学生在初中阶段建立起关于光现象的正确而自洽的认识就非常有意义.笔者对色光一些虽然简单但容易出现困惑的问题进行梳理，为有同样困惑或兴趣的读者提供参考.

1 貌似合理的说法

光的三原色（在某些书中被表述为“三基色”）是初中八年级物理光学部分的学习内容.关于三色光原理，有些书上是这样解释的：“自然界中红、绿、蓝三种颜色的光是无法用其他颜色的光混合而成的，而其他颜色的光都可以通过红、绿、蓝光的适当混合而得到.因此红、绿、蓝三种颜色的光被称为光的‘三原色.”由于这部分内容在课程标准里是“了解”的层面，能“通过实验，了解白光的组成和不同色光混合的现象”就可以了，并且课时比较紧，所以大多数教师对这个问题不进行细致的讲解，学生能理解一些生活中的现象，比如知道之所以能够在电视屏幕上看到黄色的物体，其原因就是由于红光和绿光的叠加就可以了.这样有许多学生会机械地记忆“黄光是由红光和绿光组成的”这一结论，并且这一观点会延续至他们上大学甚至毕业以后，我们对一些初入职的教师或研究生进行访谈，让他们进一步分析“如果黄光是由红光和绿光混合而成的，那么当一束黄光透过三棱镜的时候，是否会被分解为红色光和绿色光”的时候，多数人在回答这个问题的时候也都很犹豫.因为按照刚才的推理，当一束黄色的光照射到三棱镜上应该会被分解为一束红光和一束绿光.

2 进一步的推理

沿着上面所说的这个思路进一步推导会得到更有趣的结论，比如：太阳光经过三棱镜的折射以后，也不应该出现红橙黄绿青蓝紫七色光，而应该只有红光、绿光和蓝光.而这明显不符合事实.那么刚才的推理在哪里出现了问题了呢？

而且问题还可以继续延伸，比如某一天你穿了一件黄色的衬衫进到一个用红色和绿色光源照明而显示出黄光的封闭的房间里，那么根据“什么颜色不透明的物体反射什么颜色的光，它就会呈现什么颜色”的结论，那么此刻你的衬衫是会呈现黄色，还是红色，亦或绿色？

以上这些问题，不仅是学生，甚至是许多教师也不能正确回答.但是学生思考问题的范围往往并不囿于现实课堂上的情况，而且颜色是他们获取自然界的最基本的信息之一，对颜色的辨别是认识世界的最基本的方式之一，如果学生提出這样的问题而不能得到恰当的解释的话，这难免会引起他们对自然界认知的歧义，如果教师对他们的问题置之不理，则会不利于保护学生的好奇心和求知欲.尤其是对当下要求学生构建起自洽、合理的物理观念的教学理念也不相适应.所以作为教师，应该首先弄清楚其中的基本原理.下面笔者将从光的本质及人对颜色的感觉的角度进行分析.

3 问题剖析

3.1 色光的真正意义

我们知道光是电磁波，当我们说看到色彩的时候是包括眼睛在内的人的生物系统产生的感受，电磁波的频率不同，人眼的感受也不同.当然能引发颜色感受的电磁波仅在一个很小的范围之内，大约在3.9×1014-7.7×1014Hz之间，我们把在此频率范围内的电磁波称之为可见光，具体见表1.

从表1中可以看出，红、绿、蓝三种色光仅属于三种不同频率的电磁波段，与其他色光相比并无特殊之处.而且由于各自的频率不同，并且光源发出光的相位差也不确定，这样红光与绿光即使相遇也仍然保持独立、互不干涉，所以并不会改变原来的频率或波长，从各自的400多Hz和600多Hz的频率变成另外一种频率的黄光.也正因为这样，太阳光经过雨滴的折射，不同频率的光被分开，才得到美丽的彩虹.所以黄色光就是黄色光，不是由其他色光合成的.也就是当我们看到屏幕上由红光和绿光“合成的黄光”，并不是真正的频率在5.3×1014-5.1×1014Hz的黄色光，那么同时打开红色和绿色的光源后，在空间中并不存在黄颜色的单色光，那么我们看到的“黄光”是怎么回事呢？

3.2 视觉获取色彩的生理构成

实际上，颜色是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应.我们看到什么不仅取决于被观察的现象，还取决于我们的人体，取决于我们的眼睛和大脑的工作机制.所以，我们看到的所谓的“客观世界”，实质是认知主体与自然界相互作用的结果.下面我们就来梳理一下为什么我们可以看到一个五彩缤纷的世界.

首先来分析一下视觉获取色彩的生理构成：当光线射入我们的眼睛，穿过瞳孔、晶状体、玻璃体到达视网膜，如图1所示，视网膜上遍布锥状细胞和杆状细胞，它们能够将光信号转换成电信号传递到大脑的视皮层，最后在大脑内形成视觉信号，包含颜色和亮度，如图2所示.其中杆状细胞负责感受光的强度，主要在暗视觉条件下起作用;当光线达到一定强度时，视锥细胞可以感受到颜色信号，并在大脑中产成颜色印象，主要在明视觉条件下起作用.而视锥细胞又分为三种，分别对红、绿、蓝三种波长的光最为敏感，图3表示不同视锥细胞在不同波长范围的响应曲线，分别被命名为感受波长较长的红光的L-视锥细胞，感受波长较短的蓝光的S-视锥细胞，和感受中间波长的绿光的M-视锥细胞.当然三种视锥细胞都是在各自的波长范围内被激活的，但被激活的程度不同.比如波长在600nm左右的红光进入我们的眼睛，那么L-视锥细胞将完全激活，虽然M-视锥细胞也被激活，但是活跃程度很低，这样由于大脑接受到的L-视锥细胞生成的信号更强，便产生了红色的认知.这也是为什么红色的视觉不能由其他颜色的光产生，只能由红色光源产生的原因.因为其他颜色的光（也就是其他波长的光）都不会高强度地激活L-视锥细胞.

3.3 三原色光混合实质

从图3曲线还可以看出，当波长为580-595nm的黄光进入人的眼睛，人虽然没有对黄色感受敏感的视锥细胞，但是当黄光进入人的眼睛后，会同时激发L-视锥细胞和M-视锥细胞，而且这样细胞产生的电信号强度差不多，这样当它们同时被传递至大脑皮层时，大脑并不能把二者区分开来，而是形成整体的认识，此时反映出的既不是红色，也不是绿色，而是黄色.至于其他颜色，比如橙色、紫色等，也是由于同时激发了两种或三种视锥细胞，然后这些信号传递至大脑而产生的综合的感觉.因此，当人们认为他看到黄色的光或黄色的物体的时候可以有两种情况，可能的确有黄色光进入眼睛，当然也可能是红光和绿光同时进入眼睛，因为都可以同时激发L-视锥细胞和M-视锥细胞，然后强度相差不多的两种信号同时传递至大脑，然后大脑形成一种看到黄色的综合感受.所以人是不能仅凭观察就能把单色光和复色光区分开来的.从这一点来说，眼见也不一定为实.

3.4 关于物体颜色的解释

而生活中的物体大部分都不发光，通常我们所说物体的颜色，指的是在太阳光及白光，也就是各种色光成分都有的情况下物体呈现的颜色.此时它们反射或透射不同波长的光进入我们的眼睛就是我们看到的物体的颜色.物体反射或透射什么颜色的光，是由构成物体的物质性质决定的.这样，当用一种单色光照射物体时，比如用单色的黄光照射红色不透明的物体时，由于物体只能反射红光，这样在黄色光的照射下，物体看起来就呈现黑色了.而在日光下呈现白色的物体，由于可以反射各种颜色的光，这样在某种色光的照射下，它便会呈现相应的颜色;而呈现某种颜色的物体，若仅在与其不同的单色光照射下，由于不能反射这种光，所以呈现的只能是黑色.因此，大脑辨认物体的颜色是一个非常复杂的事情，其结果既取决于光源和物体材料的特性，又与眼睛的生理构造有关.

4 在“光的色散”教学中应注意的问题

基于以上分析可以看出，色光混合以及人的顏色辨别是一个比较复杂的事情，虽然现在由于时间关系不能有很多时间用于非常深入的探索，并且要深刻理解光现象，不仅需要对光现象的认知，还需要对涉及到的电磁学、原子结构、光谱等知识有比较好的知识背景.所以我们的教学应该与初中生的实际水平相符.为此，我们认为关于光的三原色问题，教学中应注意两点.

第一，原理要正确，概念要清楚.在向学生说明光的三原色时，如果只是按照“红光和绿光可以合成黄光”的说法向学生表述，则会很容易让学生产生歧义，误以为三原色光混合可以产生新的单色光，就如本文在开篇讲到的事例.因此可以在表达的时候稍作说明——红光和绿光混合看到的黄色，仅是人的感受，而非真正的黄色光，而且还可以通过让学生辨别本文开始给出的那些问题让学生思考，帮助学生构建更清晰的认识.

第二，重视实验在帮助学生形成清晰物理图景上的重要意义.初中物理课程标准中关于这部分的要求是“通过实验，了解白光的组成和不同色光混合的现象”，但是我们在教学时，不仅要看到“了解”，还应该看到“通过实验”.教学中可以通过设计合理的实验，引导学生探寻原理背后的含义，而不只是背诵课本上的定义.比如可以设计这样的两步实验体验：首先，学生分别观察黄光光源以及红光、绿光的混合光源发出的光，并说明看到的颜色，比如文献[7]和[8]中提出的实验方案;然后，再让学生透过三棱镜再次观察黄色光源和红、绿光的混合光光源，然后再说明其观察结果.这样学生对于“看到黄光”就会有更清晰的认识，也有助于形成统一自洽的关于光的认知体系.

物理学是让学生看见光彩、听见声音的学科，在学习过程中通过自己的感官和行动与大自然密切互动并探究本质的学科，让学生在学习过程中生成学习兴趣和探究的愿望，并引发对环境保护、国家发展责任的学科.所以物理教学不是把众多的结论塞进学生的脑子里，而是要让学生在观察、实验过程中，进行辨别、分析和推理，并最终形成对世界的科学的看法的过程.所以，物理核心素养特别强调物理观念的建构，强调在科学探究中辨别、推理、反问，建构自己的观点，并在评价和反思中达到理论的自洽及理论与现实的结合.而且当今世界，知识的获取越来越便捷，但个体清晰的学科框架的生成、基于原理和现实推理的能力和反思批判的能力的培养就显得越来越重要.初中生面临的不仅是中考，更重要的是他们是国家未来的建设者.所以我们的教学，不仅要关注学生对结论的记忆，更要从“立德树人”的角度认识我们的教学的价值和意义，关注他们学习过程中的困难和问题，并给他们提供恰当的帮助.

参考文献：

[1]谢丽.色光≠色觉[J].中学物理教学参考，2010，39（07）：60.

[2]姚佩玉，林燕丹，邵红，陈大华.中间视觉浅析[J].中国照明电器，2002（09）： 9-11.

[3]长弓.浅谈物体的颜色[J].甘肃教育，1984（12）：48.

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[5]丁红，周新雅，周行，陈昊然.初中物理各版本教材“三原色”内容分析[J].教学与管理，2019（09）： 90-93.

[6]王庄林.动物眼中的视差世界[J].资源与人居环境，2013（08）： 65-67.

[7]宋加全.“光的色彩 颜色”项目设计与创新[J].中学物理，2019，37（02）：52-54.

[8]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，2019，40（09）：44-49.

（收稿日期：2020-12-03）