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引言
日常使用的普通光源如白炽灯、电感式日光灯、石英灯等都是直接用220V／50Hz交流电工作，每秒钟内正负半周各变化50次，因而导致灯光在1秒钟内发生100次的闪烁，且电压的不稳定，灯光忽明忽暗，这样就产生了所谓的“频闪”。人的眼睛不能适应这种每秒100次的不停闪烁的灯光，长时期处于这种状态下工作和学习，容易产生睫状肌痉挛，形成近视。
上世纪80年代研制出的高频电子镇流器，把原有的电感镇流器从每秒100次振荡增加至每秒3万～6万次高频振荡，让人眼感觉不到频闪，而且光效更亮。这就从一定程度上解决了因为低频闪而引起眼睛过度疲劳的照明问题，从而起到保护眼睛的作用。
护眼灯的基本元件是三基色灯管。红、绿、蓝三种基本色光，经过混色组合后，可以获得照明用的白色光。利用三基色原理，将彩色分解和重现，最终实现在视觉上的各种不同彩色。高频率电压工作在这种三基色荧光灯管上，驱动荧光灯管放电发光。质量好的高频电子镇流器由于驱动电功率频率高、波动小，荧光灯管的频闪深度小于5％，因此可以视为消除了频闪效应。
实验研究
根据上述讨论，护眼灯起到护眼作用需要满足以下两个条件：①灯管导通所需加载的电频率足够高，一般要求每秒4万次以上，才能保证光线的连续稳定无频闪；②灯管显色性佳，光色接近自然。我通过实验来检验和比较某些护眼灯的性能。
实验研究(一)
实验目的：验证护眼灯光源有无频闪。
实验器材：护眼灯厂家推销产品时专门配备的测量频闪的陀螺仪，转速仪，广东华雄牌护眼灯，普通电感日光灯，数码照相机。
实验步骤：
旋转陀螺仪，用转速仪对陀螺仪的转速进行了测试，转速在0～20转／秒变化，同时拍下三张照片。
实验结果：
1．图1为静态自然光源下面的陀螺仪。
2．图2为华雄牌护眼灯光源下旋转的陀螺仪，陀螺上只出现黑白图案。
3．图3为普通电感日光灯光源下旋转的陀螺仪，陀螺仪则出现彩色。
这种现象可用多普勒效应来解释：
我们的眼睛感知的颜色可以解释为光波振动的频率，或者为在1秒钟内电磁场所交替变化的次数。如果在自然光源下，波源(物体，在此指陀螺)是固定不动的，而且接收者(在此指相机)也是不动的，那么接收到的波的振动与波源发射的波的节奏相同，即发射频率等于接收频率，因此静态下的陀螺显示其原色，如图1所示。如果陀螺是转动的，情况则不同：当陀螺的某点因转动而远离相机，相对于相机来说，陀螺产生的两个光波波峰之间的距离拉长了，因此两个波峰到达相机所用的时间也变长了，同时到达相机时频率降低，所感知的颜色向红色移动，即产生多普勒红移现象；当陀螺的某点因转动靠近相机，则到达相机时的频率增大，所感知的颜色向蓝色移动，即多普勒蓝移现象。由于陀螺转动的频率接近普通电感式日光灯的频率(50Hz)，所以相机感受到旋转陀螺是彩色的，如图3所示。如果陀螺被高频光源照射，陀螺则会以相同的频率向外发射电磁波，转动的陀螺同样会在相机上产生多普勒频率移动效应，但是由于此时陀螺的发射频率和旋转频率相差甚远，相机几乎感受不到频率变化，即接收频率接近发射，因此记录下来的仍为黑白图案，如图2所示。这说明了高频闪并非无频闪，只是由于光源频率高，相机(人的眼睛)无法觉察而已。
实验心得：
这个实验在一些护眼灯销售市场都可以见到，商家往往通过陀螺仪无彩色(如上述实验所示)向消费者推销产品。它很大程度上使人们产生误解。由此引发我深入思考，设计完成下面的实验。
实验研究(二)
实验目的：检验护眼灯样品是否符合专家认可的工作频率为40KHz的标准。
实验器材：示波器和数字式万用表，华雄牌护眼灯，松下爱目护眼灯，恒光牌电子镇流器，数码照相机，导线，绝缘钳等。
实验步骤：
1．了解示波器的使用方法和注意事项，并观察器材与导线的连接方法。
2．用导线连接示波器、万用表，分别测量三种不同型号的电子镇流器通电后的波形图和工作频率。
实验结果：
1．华雄护眼灯电子镇流器的电波频率为33．7KHz，波形整齐，频率有待提高。
2．松下爱目护眼灯电子镇流器通电后的频率为45．9KHz，灯管两端所需加载的电频率电频率基本满足了护眼灯要起到护眼作用所需要的第一个条件。
3．恒光电子镇流器通电后的频率为37．3KHz，波形不规范，产品质量有待提高。
分析产品质量有待提高的原因有如下两点：
●开关晶体管元件电气指标不合格，其开关频率无法得到提升。
●电路设计不合理。为减少成本，厂家取消或减少了部分交流和直流滤波元件，公共电源载有的杂波和电子镇流器本身的载流导线、电感器、变压器产生的辐射磁场不能被滤除，而直接加载到灯管两端。
实验研究(三)
实验目的：对比不同光源照射下的物体。
实验器材：三基色灯管，普通灯管，各种颜色物体，数码照相机。
实验步骤：
分别在自然光、三基色荧光粉灯光、普通荧光粉灯光光源下拍摄物品。
实验结果：
光源对物体的显色能力称为显色性。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多、少数甚至仅仅两个单色的光波合成，对各个颜色的显色性也大不相同。相同光色的光源可由相异的光谱组成，但光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。根据前面对三基色原理的介绍，三基色荧光粉灯光的光谱比普通荧光粉灯光更接近自然光的光谱。因此，三基色荧光粉灯光下的拍摄效果更为接近自然原色，而普通荧光粉灯光拍摄的物品的色彩明显失真。
实验心得：
由此实验，我想到了更为简易的方法检测光源对物体的显色能力。即将点亮的三基色灯照在自己的手心上，手心则显得红润有血色：同样的卤粉灯照在手心上，则显得发青、无血色。
实验研究(四)
实验目的：检测光频率。
实验器材：电感式荧光粉灯，松下爱目护眼灯，华雄牌护眼灯，光敏二极管，运算放大器，电阻，导线，示波器，万用表等。
实验步骤：
1．绘制光频率接收器方框图，自己动手制作光频率接收器。
2．通过查找与运算放大器有关的资料，选用LM324N四电压比较运算放大器，并根据其反相放大器电路原理，绘制了光频率接收器电路图并加 以制作。
3．利用示波器和万用表检测光频率。图像均为光探头对准光源所拍摄的光闪动波形(两者间距30cm)。
实验结果：
1．电感式台灯开启后，光闪动频率100Hz，示波器Y轴电压增益为50个电压单位。
2．松下护眼灯开启后，光闪动频率为100Hz，示波器Y轴电压增益为3个电压单位。
3．华雄护眼灯开启后，光闪动频率为101Hz，示波器Y轴电压增益为4．5个电压单位。
实验心得：
频闪波动深度等于光线最强值与最弱值的差值再除以最强值后获得的百分比。百分比越小，频闪越浅，护眼功能越佳。经过示波器波形增益折算，比较三种灯具测试的光电压幅度比值(即频闪的深度)：50：3：4．5，可以看出电感式台灯频闪波动的深度远大于其他护眼灯，而松下护眼灯质量好于华雄护眼灯。
实验研究(五)
实验目的：检测光源与其频闪深度的关系。
实验器材：恒光电子镇流器三基色灯，示波器，光频率接收器。
实验步骤：
1．为了模拟同学看书时的姿势，我将光频率接收器的探头对准课本，并将探头与课本间距定为0．3m。
2．在保证足够亮度的情况下，我将三基色灯与课本距离分别定为0．5m、1．0m、1．5m并调整示波器X时间增益旋钮旋至1ms，拍摄出光电压变化图像。
实验结果：
1．光源与课本间距0．5m。示波器Y电压增益为22mV。
2．光源与课本间距lm。示波器Y电压增益为11mV。
3．光源与课本间距1．5m。示波器Y电压增益为5mV。
实验心得：
比较同一灯具不同间距测试的光电压幅度比值(即频闪的深度)：22：11：5，可以看出，随着光源与课本间距的增大，其频闪深度反而逐步减小。频闪深度的减小可以在一定程度上降低频闪效应，缓解人们的视疲劳。
总结
本文主要介绍了护眼灯的基本工作原理及其护眼功能，帮助人们了解护眼灯的发展动态。通过五个简单的小实验，引导人们掌握如何选择高性能的护眼灯的方法。希望无频闪、无辐射、健康环保且高效节能的护眼灯能早日研制出来。
专家点评
该研究性论文《护眼灯与普通灯的功能比较实验设计》，概述了护眼灯的发展动态，阐述了护眼灯的工作原理，通过五个简单易行的小实验说明了现存市场上的护眼灯的优点与缺点，从而引导消费者了解并掌握选择高性能护眼灯的方法。
该论文结构规范，行文流畅，所做实验简单易行，对护眼灯的性能作了较为全面的比较，理论说明具有一定的科学性，实验结果也较好地说明了所要验证的问题，体现了作者在研究性的学习过程中具有较强的能动性、独立性和动手能力。论文的结论部分相对简单，应该对五个实验结果进行整体的分析和总结，从而明确说明如何选择高性能的护眼灯。
朱莉芳 中国科学院物理所
日常使用的普通光源如白炽灯、电感式日光灯、石英灯等都是直接用220V／50Hz交流电工作，每秒钟内正负半周各变化50次，因而导致灯光在1秒钟内发生100次的闪烁，且电压的不稳定，灯光忽明忽暗，这样就产生了所谓的“频闪”。人的眼睛不能适应这种每秒100次的不停闪烁的灯光，长时期处于这种状态下工作和学习，容易产生睫状肌痉挛，形成近视。
上世纪80年代研制出的高频电子镇流器，把原有的电感镇流器从每秒100次振荡增加至每秒3万～6万次高频振荡，让人眼感觉不到频闪，而且光效更亮。这就从一定程度上解决了因为低频闪而引起眼睛过度疲劳的照明问题，从而起到保护眼睛的作用。
护眼灯的基本元件是三基色灯管。红、绿、蓝三种基本色光，经过混色组合后，可以获得照明用的白色光。利用三基色原理，将彩色分解和重现，最终实现在视觉上的各种不同彩色。高频率电压工作在这种三基色荧光灯管上，驱动荧光灯管放电发光。质量好的高频电子镇流器由于驱动电功率频率高、波动小，荧光灯管的频闪深度小于5％，因此可以视为消除了频闪效应。
实验研究
根据上述讨论，护眼灯起到护眼作用需要满足以下两个条件：①灯管导通所需加载的电频率足够高，一般要求每秒4万次以上，才能保证光线的连续稳定无频闪；②灯管显色性佳，光色接近自然。我通过实验来检验和比较某些护眼灯的性能。
实验研究(一)
实验目的：验证护眼灯光源有无频闪。
实验器材：护眼灯厂家推销产品时专门配备的测量频闪的陀螺仪，转速仪，广东华雄牌护眼灯，普通电感日光灯，数码照相机。
实验步骤：
旋转陀螺仪，用转速仪对陀螺仪的转速进行了测试，转速在0～20转／秒变化，同时拍下三张照片。
实验结果：
1．图1为静态自然光源下面的陀螺仪。
2．图2为华雄牌护眼灯光源下旋转的陀螺仪，陀螺上只出现黑白图案。
3．图3为普通电感日光灯光源下旋转的陀螺仪，陀螺仪则出现彩色。
这种现象可用多普勒效应来解释：
我们的眼睛感知的颜色可以解释为光波振动的频率，或者为在1秒钟内电磁场所交替变化的次数。如果在自然光源下，波源(物体，在此指陀螺)是固定不动的，而且接收者(在此指相机)也是不动的，那么接收到的波的振动与波源发射的波的节奏相同，即发射频率等于接收频率，因此静态下的陀螺显示其原色，如图1所示。如果陀螺是转动的，情况则不同：当陀螺的某点因转动而远离相机，相对于相机来说，陀螺产生的两个光波波峰之间的距离拉长了，因此两个波峰到达相机所用的时间也变长了，同时到达相机时频率降低，所感知的颜色向红色移动，即产生多普勒红移现象；当陀螺的某点因转动靠近相机，则到达相机时的频率增大，所感知的颜色向蓝色移动，即多普勒蓝移现象。由于陀螺转动的频率接近普通电感式日光灯的频率(50Hz)，所以相机感受到旋转陀螺是彩色的，如图3所示。如果陀螺被高频光源照射，陀螺则会以相同的频率向外发射电磁波，转动的陀螺同样会在相机上产生多普勒频率移动效应，但是由于此时陀螺的发射频率和旋转频率相差甚远，相机几乎感受不到频率变化，即接收频率接近发射，因此记录下来的仍为黑白图案，如图2所示。这说明了高频闪并非无频闪，只是由于光源频率高，相机(人的眼睛)无法觉察而已。
实验心得：
这个实验在一些护眼灯销售市场都可以见到，商家往往通过陀螺仪无彩色(如上述实验所示)向消费者推销产品。它很大程度上使人们产生误解。由此引发我深入思考，设计完成下面的实验。
实验研究(二)
实验目的：检验护眼灯样品是否符合专家认可的工作频率为40KHz的标准。
实验器材：示波器和数字式万用表，华雄牌护眼灯，松下爱目护眼灯，恒光牌电子镇流器，数码照相机，导线，绝缘钳等。
实验步骤：
1．了解示波器的使用方法和注意事项，并观察器材与导线的连接方法。
2．用导线连接示波器、万用表，分别测量三种不同型号的电子镇流器通电后的波形图和工作频率。
实验结果：
1．华雄护眼灯电子镇流器的电波频率为33．7KHz，波形整齐，频率有待提高。
2．松下爱目护眼灯电子镇流器通电后的频率为45．9KHz，灯管两端所需加载的电频率电频率基本满足了护眼灯要起到护眼作用所需要的第一个条件。
3．恒光电子镇流器通电后的频率为37．3KHz，波形不规范，产品质量有待提高。
分析产品质量有待提高的原因有如下两点：
●开关晶体管元件电气指标不合格，其开关频率无法得到提升。
●电路设计不合理。为减少成本，厂家取消或减少了部分交流和直流滤波元件，公共电源载有的杂波和电子镇流器本身的载流导线、电感器、变压器产生的辐射磁场不能被滤除，而直接加载到灯管两端。
实验研究(三)
实验目的：对比不同光源照射下的物体。
实验器材：三基色灯管，普通灯管，各种颜色物体，数码照相机。
实验步骤：
分别在自然光、三基色荧光粉灯光、普通荧光粉灯光光源下拍摄物品。
实验结果：
光源对物体的显色能力称为显色性。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多、少数甚至仅仅两个单色的光波合成，对各个颜色的显色性也大不相同。相同光色的光源可由相异的光谱组成，但光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。根据前面对三基色原理的介绍，三基色荧光粉灯光的光谱比普通荧光粉灯光更接近自然光的光谱。因此，三基色荧光粉灯光下的拍摄效果更为接近自然原色，而普通荧光粉灯光拍摄的物品的色彩明显失真。
实验心得：
由此实验，我想到了更为简易的方法检测光源对物体的显色能力。即将点亮的三基色灯照在自己的手心上，手心则显得红润有血色：同样的卤粉灯照在手心上，则显得发青、无血色。
实验研究(四)
实验目的：检测光频率。
实验器材：电感式荧光粉灯，松下爱目护眼灯，华雄牌护眼灯，光敏二极管，运算放大器，电阻，导线，示波器，万用表等。
实验步骤：
1．绘制光频率接收器方框图，自己动手制作光频率接收器。
2．通过查找与运算放大器有关的资料，选用LM324N四电压比较运算放大器，并根据其反相放大器电路原理，绘制了光频率接收器电路图并加 以制作。
3．利用示波器和万用表检测光频率。图像均为光探头对准光源所拍摄的光闪动波形(两者间距30cm)。
实验结果：
1．电感式台灯开启后，光闪动频率100Hz，示波器Y轴电压增益为50个电压单位。
2．松下护眼灯开启后，光闪动频率为100Hz，示波器Y轴电压增益为3个电压单位。
3．华雄护眼灯开启后，光闪动频率为101Hz，示波器Y轴电压增益为4．5个电压单位。
实验心得：
频闪波动深度等于光线最强值与最弱值的差值再除以最强值后获得的百分比。百分比越小，频闪越浅，护眼功能越佳。经过示波器波形增益折算，比较三种灯具测试的光电压幅度比值(即频闪的深度)：50：3：4．5，可以看出电感式台灯频闪波动的深度远大于其他护眼灯，而松下护眼灯质量好于华雄护眼灯。
实验研究(五)
实验目的：检测光源与其频闪深度的关系。
实验器材：恒光电子镇流器三基色灯，示波器，光频率接收器。
实验步骤：
1．为了模拟同学看书时的姿势，我将光频率接收器的探头对准课本，并将探头与课本间距定为0．3m。
2．在保证足够亮度的情况下，我将三基色灯与课本距离分别定为0．5m、1．0m、1．5m并调整示波器X时间增益旋钮旋至1ms，拍摄出光电压变化图像。
实验结果：
1．光源与课本间距0．5m。示波器Y电压增益为22mV。
2．光源与课本间距lm。示波器Y电压增益为11mV。
3．光源与课本间距1．5m。示波器Y电压增益为5mV。
实验心得：
比较同一灯具不同间距测试的光电压幅度比值(即频闪的深度)：22：11：5，可以看出，随着光源与课本间距的增大，其频闪深度反而逐步减小。频闪深度的减小可以在一定程度上降低频闪效应，缓解人们的视疲劳。
总结
本文主要介绍了护眼灯的基本工作原理及其护眼功能，帮助人们了解护眼灯的发展动态。通过五个简单的小实验，引导人们掌握如何选择高性能的护眼灯的方法。希望无频闪、无辐射、健康环保且高效节能的护眼灯能早日研制出来。
专家点评
该研究性论文《护眼灯与普通灯的功能比较实验设计》，概述了护眼灯的发展动态，阐述了护眼灯的工作原理，通过五个简单易行的小实验说明了现存市场上的护眼灯的优点与缺点，从而引导消费者了解并掌握选择高性能护眼灯的方法。
该论文结构规范，行文流畅，所做实验简单易行，对护眼灯的性能作了较为全面的比较，理论说明具有一定的科学性，实验结果也较好地说明了所要验证的问题，体现了作者在研究性的学习过程中具有较强的能动性、独立性和动手能力。论文的结论部分相对简单，应该对五个实验结果进行整体的分析和总结，从而明确说明如何选择高性能的护眼灯。
朱莉芳 中国科学院物理所