月度归档:2009年01月

白炽灯的闪烁

人的眼睛有一个特性,称为“视觉暂留”:人眼视线内的景物变化时,人并不能同时感到景物的变化,而是有一个时间差,约50~200毫秒。因为人眼的瞳孔需要随外界亮度的变化调节瞳孔的大小从而调节进入的光量,因此视觉暂留可以防止外界亮度反复快速变化所致调节肌肉的疲劳。电影以每秒24帧的频率播放画面,因为画面间的间隔小于50毫秒的最小视觉暂留时间,因而我们就没有感觉到画面的间隔。

  这一原理,也有人用于解释为什么我们感觉不到白炽灯的闪烁上:因为白炽灯所接的供电交流电源是220V、50HZ,因而一秒钟内闪烁50次,闪烁周期小于最小视觉暂留时间。很遗憾,这个结论虽然是对的,但这个解释却不严密。

  白炽灯之所以发光是因为电流在流过灯丝时产生的高热,发热量是与电压相关的。所用的50HZ的交流电,电压呈正弦波,如下图的兰线,在100毫秒内有5个正弦波,有5 次最大与最小的变化,所以常误以为白炽灯的闪烁也为50HZ。但真正与产热直接相关的并不是电压,而是功率,它等于电压的平方除以灯丝的电阻,也就是说交流电的正负电压都会做功(当然没有负功),就如下图中的红线所示,因此功率的变化是100HZ而不是50HZ,白炽灯的闪烁也为100HZ。这里推论,因为视觉暂留而感觉不到白炽灯闪烁的交流电频率,其阈值不是20HZ而是10HZ。

 

  除了考虑视觉暂留外,也有人认为灯丝的热惯性使灯丝一直处于高热状态,因而连续发光不产生闪烁。可以设想,电流做功产生的热并不会使灯丝立即到达最高的溫度,断电后也不会立即回复到室温。因此灯丝的白炽发光强度也并不与功率的变化完全同步,也有一个滞后效应,在热惯性很大的电炉丝上电与断电时,就可以明显地观察到这个现象。再加上功率的变化也是如上图所示的连续渐变的而非离散的突变,因而灯丝温度也发光强度的变化也不会如功率变化那样可以从最高点回到基点,也就是说白炽灯发光时,最高发光强度会低于恒定的最高功率值时的发光强度,而低点也会高于功率为0时的情况。再加上灯丝的电阻会随温度的升高也略有上升,更进一步增强这种效应。所以,一种可能的情况是白炽灯发光的明暗变化差别并没有达到人眼可以区分的程度,因而也无法感觉到闪烁的存在,或者说相对于人眼的明暗分辨能力是没有闪烁存在的。

  总之,我们感觉不到白炽灯在闪烁,结论无误,但其机理有可能是视觉暂留(闪烁应为100HZ而非通常所说的50HZ),也有可能是热惯性等作用。如何区分是那个在起作用呢?

  有兴趣的可以做如下实验观察:

  接入家用普通电路的白炽灯,可手动确定快门速度的相机,最高速度应能至少二百分之一秒,当然用数码相机就不用胶片及冲洗费用了;

  多次随机时间对开启的白炽拍照,固定光圈,快门速度最好在千分之一秒以上,否则会产生类似于热惯性的效果;

  因为拍照的时间相对于电压的正弦波相位是随机的,因此多次的照片会随机分布于正弦波相位的不同时间段;

  如果没有发现相片间可察觉的白炽灯亮度差别,则应当认为主要是热惯性等所致闪烁基本不存在;

  否则应承认视觉暂留机制在起作用。

  另外,选用白炽灯的功率不同,灯丝的粗细也不同,因而热惯性也不同,是不是会影响到实验结果呢?

  要是给一个较低的电压,使灯丝的温度正好在白炽发光的阈值处,会不会因为较小的温度差产生明显的发光强度差别?

  这里讨论的是较明亮的情况,因而50毫秒的最小视觉暂留时间,应当是指视锥细胞的。如果在较暗的环境下,起作用的是视杆细胞,结果又会如何呢?
 

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终于放假啦。

今天终于考完最后一门课,回想最后这两周考六门课而且还有两门专业课,心里有点发寒颤。不过终究是度过去了:-)。

新年马上就要来了,祝福所有的人们在新的一年开开心心,和和满满!