色光概念

一、光的性質

牛頓認為光也是由粒子組成，速度極快，直線進行，當光粒子進入眼中時便 刺激眼球形成視覺。光束便是一連串行進中的粒子。從光粒子的觀點，牛頓成功 地探討了當時已知的光學現象，包含反射及折射現象。雖然與牛頓同時期的惠更 斯（C. Huygens）認為，光是如同水波的波動，一般水波有干涉及繞射的現象，

光也能產生干涉條紋，結果這個波動現象卻被牛頓以技巧的方式規避了。由於牛 頓在力學等其他方面的卓越貢獻，也使得光的「粒子說」興盛近一世紀之久。直 到1803 年楊氏(Thomas Young)的干涉實驗推翻了「粒子說」崇高的地位。

1905 年愛因斯坦以光子說很清楚地解釋光電效應。當一束光子打到陰極板 上，若光子的頻率夠高的話，則其能量足以使陰極板上的電子游離而產生電流。

這就是為什麼紫外光（頻率較高）比紅光容易產生光電效應。後來康卜吞研究光 與電子的碰撞時，發現在動量傳遞方面，光也是一樣顯出粒子的性質來。

到底光是粒子還是波呢？干涉現象必須以波動說解釋，光電效應又非得粒子 說的詮釋不可。目前科學家認為光有雙重性質，有時候呈現波動性，有時候呈現 粒子性，需視其解釋情境而定。

二、光與視覺

我們的眼睛是如何看見光與分辨顏色的？如何看到「青」山「綠」水、花「紅」

草「綠」？ 物體所呈現的顏色，是怎麼回事呢？

人感覺色彩的機制在於眼睛，眼睛就好比一部照相機，瞳孔是光線進入的孔 道，水晶體有如攝影機的鏡頭。物體發出的光線透過角膜、瞳孔，經過水晶體的 聚光調節，影像就清晰地落在網膜下，好像照相機的底片，網膜佈滿神經，將外 面傳入的光線傳入大腦顯現成像，使眼睛可以看見物體。視網膜由許多感光細胞 構成，依形狀可分為桿狀細胞(rods)與錐狀細胞(cones)，錐狀細胞的主要功能在感 受顏色，活躍於白晝等光度較高的情況，分別對不同波長範圍的光有反應。各種 細胞若受到刺激便產生各一種不同的色覺，分別為紅、綠、藍。由於光波長有異，

三種細胞所受到刺激的比例不同，所總合得到的色彩便不相同。例如：等量紅與 綠刺激產生黃色覺，等量綠與藍刺激產生青色覺，等量藍與紅刺激產生紫紅色 覺；桿狀細胞僅接收光量，對光線的強度較敏感，但卻無法分辨顏色（波長），

其所感受的是黑白影像，運作於夜晚等光度較差的情況。桿狀細胞的光色素稱為 視紫質(rhodopsin)，主要負責夜晚及周邊視覺。相較於錐狀細胞，桿狀細胞對光 更為敏感，較容易看到微弱的亮光，因此在極低的照度下，人類的眼睛僅依賴桿 狀細胞，稱為暗視覺，其無法分辨顏色，故所有表面看起來僅有灰階明暗的差異；

人類的眼睛約有一億二仟萬個桿狀細胞，僅存在於視網膜的周邊，因該處缺乏錐 狀細胞，以致吾人對視野的周邊部份有辨色上的困難。如此，三種感應波長（顏 色）的錐狀細胞與此感應光強弱的柱狀細胞互相配合，使我們能分辨多種顏色的 光。

三、光與顏色

牛頓以三稜鏡使太陽光折射產生色散，發現其由紅、橙、黃、綠、藍、靛、

紫等七種色光所組成。再將這些單色光透過另一個稜鏡，則又得到原來的白色 光。由該實驗證明，陽光是一種全光譜，由不同波長的光所組成，而在所有可見 光譜中，波長最小的紫色光約為380 nm，波長最長的紅色光約為 780 nm，在此

範圍以外的光譜為不可見光， 波長小於 380 nm 稱紫外線， 波長大於 780 nm 稱 紅外線。

顏色並非光本身的特性，而是該頻率的光與視神經與腦海共同形成的感覺。

因此對於「藍光」更精確的說法是「看起來藍色的光」。表2-4-1 是眼睛對於可 見光所對應感覺的約略波段範圍。

表2-4-1 可見光波長範圍

顏色 波長（nm） 代表波長（nm）

紅（Red） 780～630 700 橙（Orange） 630～600 620 黃（Yellow） 600～570 580 綠（Green） 570～500 550 青（Cyan） 500～470 500 藍（Blue） 470～420 470 紫（Violet） 420～380 420

理論上，眼睛所看到物體的表面色，是該物體吸收了部分的光線及反射其餘 色光的結果。不同的物體表面具有不同的特性，吸收和自己不同的色光，而選擇 反射和自己相同的色光，反射的光線刺激眼睛，便產生該反射色光的色彩感覺。

然而，實際上物體表面之色彩， 他們所吸收的或反射的色光也多少含有光譜上 的其他色光， 例如紅色為主則可能帶有橙及微量的黃，綠色為主則可能帶有微 量的黃及青等。（林書堯，1978）。顏色對人而言可以說是一種心理經驗的感覺，

是人試圖去捕捉物體表面的特性所造成的反射光譜。

四、色光相關的實徵研究

本研究主要探討學生對於「色光」的相關概念，因此研讀其他學者有關光學 概念方面的研究後，僅列舉與本研究相關部分之研究結果。

以國小階段學生為主要研究對象的相關研究如下：

（一）唐明（2001）探討國小五年級學生對光的另有概念，研究結果顯示，學生 所具有的另有概念如下：

1.學生以美勞課程中，水彩調色及彩色黏土等經驗，推論各色光的混合。

2.白光不是由色光混合而成。

3.物體的顏色是它的本質，不會受光線影響。。

3.物體的顏色會受光線影響，會和光線混而成另一種顏色。

4.物體的顏色是來自它本身的色素呈現。

（二）王玉龍（2006）運用POE 策略探究六年級學童對色光的概念與概念改變情 形，研究結果顯示三十位學童對於色光普遍存有另有概念包括：

1.不同色光有強弱之分。

2.色光本身有深淺，深的顏色會將淺的顏色蓋掉。

3.三稜鏡和玻璃紙顏色有關連。

4.光穿過玻璃紙只呈現玻璃紙的色光。

5.白色燈光會和玻璃紙混合產生顏色。

6.色光通過玻璃紙速度的快慢導致呈色結果不同。

7.玻璃紙顏色的亮度會影響色光呈現。

8.學生以玻璃紙顏色的深淺預測色光呈現。

9.以水彩調色推論色光和玻璃紙顏色的混合。

10.全部色光都被反射會形成黑色。

（三）Feher 與 Rice (1992)針對八到十三歲的學童進行色光的概念研究發現:學童 對於色光的迷思概念主要有：

1.色光是主動的，色光給顏色於物體上，例如：紅光會給物體紅的顏色。

2.色光內含顏色，光的顏色與物體的顏色相混合，例如：物體的顏色會與 黃光混合，造成不同的顏色。

3.色光較暗，例如：在綠光下，紅色物體看起來較暗。

以國中階段學生為主要研究對象的相關研究如下：

（一）何嘉峻（2003）以選擇題方式探究國中二、三年級不同性別學生對於「光」

的相關迷思概念進行分析，研究顯示：

1.認為白光會跟紅色玻璃紙顏色相混合成粉紅色。

2.紅光會與綠色物體混合成粉紅色。

（二）黃子晏（2004）以科學寫作方式探究20位國二、國三生有關「光」的迷思 概念，研究結果指出：

1.色光的混合如顏料的混合。

2.對顏色的呈現機制解釋不正確。

3.白色物體會吸收光線。

4.具黑色光：黑色物體是吸收其他光反射黑光。

5.顏色是物體的本質之一。

以教師為研究對象者：

洪淑淩（2006）以POE 活動，探究16位國小自然科教師的色光概念及概念改 變歷程，結果發現研究對象對於色光另有概念如下：

1.光波強度方面：透鏡和稜鏡的距離影響呈色；鮮艷的顏色會影響呈色。

2.光波波長方面：玻璃紙讓單一或多種顏色通過；波長長短、頻率大小、

同色系的光會影響呈色。

3.光譜組成方面：光譜中的比例與組成會影響呈色；光源影響呈色。

4.光的折射方面：認為偏折角度會影響色散的呈色。

5.光的吸收方面：認為玻璃紙會吸收部份色光，讓單一色光通過。

6.光的反射方面：認為玻璃紙會反射本身顏色的色光。

7.光的混色方面：是否為三原色會影響呈色；認為色光相混合後的合成顏 色可用顏料相混後的結果來加以解釋。

以下則是研究對象跨越國小、國中到高中階段的研究：

（一）蕭倍如（2004）採問卷調查法，探討小五、國一、國三和高二學生對於「光」

的相關概念進行研究，各階段學生呈現的迷思概念有：

1.白光是一種單色光，或者是由兩種不同顏色混合而成。

2.光本來沒有顏色。

3.白色光照射紅色玻璃紙時，屏幕會出現與手電筒所發出的光一樣。

4.玻璃紙的顏色會蓋過物體的顏色。

5.透過有顏色的玻璃紙視物，物體的顏色不會改變。

6.黑色的物體會發出黑色的光

7.顏色是物體的本質，色素使物體有顏色。

（二）黃湘武與黃寶鈿 (1988)以群測及晤談的方式研究國中、小及高中學生對於 光的先前概念，根據結果發現，在視覺與顏色方面，學生認為：

光經過藍色與黃色濾紙時，在牆壁所顯現出的綠色是兩種光混合的結果。

綜合上述國內外光學概念的研究，將研究結果依研究對象，分為國小、國中、

教師三階段，呈現與本研究相關之另有概念做比較，如表2-4-1。從表中可以看出 不同年齡層光之另有概念，有些是階段性的，有些卻一直延續存在。例如國小學 生對於「白光」的組成尚未明確，而國中生認為白色物體會吸收光線，白光還能 與物體顏色混合，教師的研究則未提及對「白光」尚存有另有概念。但對於物體 呈色機制的另有概念，於各年齡層都有出現，以顏料混色來類推色光混合結果的 概念，更是存於各不同的年齡層。根據蕭倍如（2004）的研究指出各年級學生光 學概念正確比率有逐年增加的現象，可能是受到學校教學或學習成熟的影響。而

洪淑淩（2006）的研究卻也顯示，即使是國小教師，對色光仍存有許多另有概念。

5.光源會影響呈色。

6.玻璃紙會吸收部份色光，讓單一色光通過。

6.玻璃紙會吸收部份色光，讓單一色光通過。