小孔成像實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

朱曙明

摘 要：利用身邊簡(jiǎn)易的材料自制實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)小孔成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的精確性、可見性和可操作性，使學(xué)生在教室光線較強(qiáng)的情況下也能清楚地觀察小孔成像的特點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)小孔成像特點(diǎn)的理解，同時(shí)提高教師和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。利用生活中的簡(jiǎn)易器材自制教具輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，體現(xiàn)“小實(shí)驗(yàn)，大道理“的實(shí)驗(yàn)思想，發(fā)揮小實(shí)驗(yàn)的“物理營(yíng)養(yǎng)”，最大限度地挖掘資源的實(shí)驗(yàn)功能和教育教學(xué)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：小孔成像；改進(jìn)與創(chuàng)新；自制實(shí)驗(yàn)教具

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）5-0005-3

小孔成像是光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播的一個(gè)實(shí)例，比如太陽(yáng)透過(guò)樹蔭在地上形成的一個(gè)個(gè)小光斑，這是大家熟知的現(xiàn)象。其實(shí)，中國(guó)古代科學(xué)家對(duì)小孔成像現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)比較深入的研究，如戰(zhàn)國(guó)時(shí)期墨子（前478—前392）的《墨經(jīng)》一書中記載了我國(guó)古代用針孔成像的光學(xué)實(shí)驗(yàn)（見圖1），墨子提出小孔成像的光學(xué)原理，并給予了準(zhǔn)確的解釋。[1]

小孔成像實(shí)驗(yàn)是初中物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，不同版本教材對(duì)小孔成像實(shí)驗(yàn)的制作方法比較類似，一般都是采用易拉罐和半透明紙制作完成（見圖2）。有部分教師也引導(dǎo)學(xué)生用紙杯制作簡(jiǎn)易的小孔成像儀器，在紙杯底部打上小孔，然后再在紙杯口用橡皮筋固定半透明紙。但這些實(shí)驗(yàn)器材的實(shí)驗(yàn)效果很不明顯，實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果比較單一，不能讓學(xué)生對(duì)小孔成像的特點(diǎn)有真正的認(rèn)識(shí)。針對(duì)這種現(xiàn)象，筆者利用硬紙盒做一個(gè)簡(jiǎn)單的教具，克服了以往實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)光對(duì)小孔成像效果的影響，即便在開燈的情況下也能清晰地觀察小孔成像的特征，而且還可以通過(guò)改變小孔的形狀，進(jìn)一步探究小孔成像是否與孔的形狀有關(guān)。下面筆者將詳細(xì)地介紹利用自制儀器觀察小孔成像的過(guò)程。

1 制作教具

（1）準(zhǔn)備材料

4個(gè)長(zhǎng)×寬×高為40 cm×25 cm×30 cm的硬紙盒，“F”字光源，半透明紙1張，黑色膠帶，透明塑料寬膠帶，泡沫厚雙面膠，6塊紐扣磁鐵。

（2）制作硬紙箱

將3個(gè)長(zhǎng)×寬×高為40 cm×25 cm×30 cm的硬紙盒兩端底部打開，相互套在一起，并用透明塑料寬膠帶在硬紙盒交界處纏繞并固定好，這樣就組裝成1個(gè)長(zhǎng)×寬×高為70 cm×25 cm×30 cm的長(zhǎng)方體紙箱。然后，再在另一個(gè)硬紙盒上用裁紙刀裁取一塊長(zhǎng)×寬為31 cm×32 cm的硬紙板（寬度超出硬紙箱寬度2 cm是為了擋住外界光線對(duì)成像效果的影響），在硬紙板兩端3 cm處進(jìn)行彎折（見圖3），用泡沫厚雙面膠將硬紙板的左側(cè)固定在硬紙箱上，然后在硬紙板右側(cè)里面塞進(jìn)3塊紐扣磁鐵，同時(shí)在硬紙箱對(duì)應(yīng)位置裝上3塊紐扣磁鐵，這樣就制成一個(gè)帶“門”且能自如閉合的硬紙箱。最后，用雙面膠把“F”字光源固定在“門”的中央位置（見圖4）。實(shí)驗(yàn)時(shí)將“門”關(guān)上，減少外界強(qiáng)光的影響。

接著，用裁紙刀裁取1塊長(zhǎng)×寬為23.5 cm×28.5 cm的硬紙板，然后在硬紙板中央挖出1個(gè)長(zhǎng)×寬為17 cm×21 cm的長(zhǎng)方形孔，再用泡沫厚雙面膠將半透明紙固定在長(zhǎng)方形孔四周，便制成一個(gè)簡(jiǎn)易的光屏，用來(lái)承接小孔所成的像。

（3）確定小孔的位置

用裁紙刀裁取1塊長(zhǎng)×寬為23.5 cm×28.5 cm的硬紙板，用鐵釘在其中央位置扎一個(gè)小孔，放到長(zhǎng)方體硬紙箱內(nèi)，然后將做好的光屏放置在離硬紙箱口20 cm處（減少外界強(qiáng)光的影響，便于觀察光屏上成的像）。這時(shí)打開“F”字光源，來(lái)回移動(dòng)硬紙板，找到成像最清晰的位置，用鉛筆在紙箱內(nèi)做好標(biāo)記，以確定出成像的位置。將硬紙板取出，在硬紙板中央挖去1個(gè)長(zhǎng)×寬為8 cm×8 cm的方孔，然后用黑色膠帶將硬紙板固定在剛剛標(biāo)記的位置。小孔成像儀器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（4）制作不同小孔的硬紙插板

制作5塊長(zhǎng)×寬為16 cm×32 cm的硬紙插板，并用鐵釘在上面分別扎上不同形狀的小孔，且小孔在硬紙板的中央位置，使所成的像在光屏的中央位置，平面圖如圖6所示。

2 演示小孔成像實(shí)驗(yàn)

將“F”字光源打開，會(huì)有部分光源穿過(guò)硬紙板的正方形孔，射向光屏。用帶有“■”小孔的硬紙插板插入硬紙板插口，在光屏上可以觀察到“F”字光源的像（見圖7），讓學(xué)生觀察小孔成像的特點(diǎn)并記錄；再分別用帶有“■”“■”小孔的硬紙插板插入硬紙板插口，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄（實(shí)驗(yàn)觀察到的圖像分別如圖8和圖9所示）；再分別用帶有“■ ”“■ ”小孔的硬紙插板插入硬紙板插口，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄（實(shí)驗(yàn)觀察到的圖像分別如圖10和圖11所示）。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

比較圖7、圖8和圖9中“F”字經(jīng)小孔所成的像可得到，小孔成的“F”字像都是倒立的實(shí)像，且成像的形狀與孔的形狀無(wú)關(guān)，但是組成“F”字像的光點(diǎn)與孔的形狀有關(guān)（每個(gè)“F”字像都是不同光點(diǎn)組成）?？梢赃@樣解釋，可以把“F”字光源上每一個(gè)LED燈看成一個(gè)小發(fā)光點(diǎn)，每個(gè)發(fā)光點(diǎn)向小孔發(fā)射光，通過(guò)小孔的每一束光都會(huì)在光屏上形成一個(gè)對(duì)應(yīng)孔形狀的光斑，所以“F”字像是由穿過(guò)不同孔形狀的光斑組成。這也說(shuō)明光是沿直線傳播的。[2]

若采用圖6中第四個(gè)硬紙插板演示小孔成像實(shí)驗(yàn)，就會(huì)得到圖10所示的4個(gè)“F”字像，因?yàn)椤癋”字光源上每一個(gè)LED燈看成一個(gè)小發(fā)光點(diǎn)，每個(gè)發(fā)光點(diǎn)同時(shí)向4個(gè)小孔發(fā)射光，穿過(guò)小孔的每一束光都會(huì)在光屏上形成一個(gè)對(duì)應(yīng)形狀的光斑，所以會(huì)看到4個(gè)倒立的“F”字像。

若采用圖6中第五個(gè)硬紙插板演示小孔成像實(shí)驗(yàn)，“F”字光源上每一個(gè)LED燈同時(shí)向多個(gè)小孔發(fā)射光，通過(guò)每一個(gè)小孔形成的“F”字光斑在光屏上相互疊加，光屏上的像自然就不清晰了，就會(huì)形成如圖11所示的“F”字像。

這里補(bǔ)充說(shuō)明一下，小孔成像的清晰度與孔的大小有關(guān)，當(dāng)然孔的大小是相對(duì)于發(fā)光體本身大小而言的。當(dāng)孔比較小的時(shí)候，發(fā)光體的不同部分發(fā)出的光線到達(dá)光屏的不同位置，而不會(huì)在光屏上發(fā)生相互重疊現(xiàn)象，在光屏上成的像就比較清晰；反之，若小孔比較大，發(fā)光體的不同部分發(fā)出的光在光屏上發(fā)生重疊現(xiàn)象，光屏上的像自然就沒(méi)那么清晰了；若孔相當(dāng)大，發(fā)光體不同部分發(fā)出的光大多數(shù)會(huì)到達(dá)光屏上相同的位置而發(fā)生相互重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致光信息發(fā)生混亂，也就無(wú)法成像了。

4 自制教具改進(jìn)特點(diǎn)

（1）通常小孔成像實(shí)驗(yàn)需要在光線較暗的環(huán)境里進(jìn)行，且成像效果還不顯著，而本實(shí)驗(yàn)教具克服了光學(xué)實(shí)驗(yàn)所面臨的環(huán)境問(wèn)題，即便在明亮的教室或開燈環(huán)境里也能清晰地觀察到小孔成像的特點(diǎn)。

（2）通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教具不但可以清晰地探究到小孔所成的像是倒立的實(shí)像，而且還可以探究小孔所成的像與小孔形狀無(wú)關(guān)，甚至可以研究多孔成像的特點(diǎn)。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置器材成本低廉，取材于生活，簡(jiǎn)單易得，便于組裝，體現(xiàn)了物理源于生活、回歸生活的本質(zhì)。

（4）利用低成本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的精確性、可見性和可操作性，充分體現(xiàn)了“小實(shí)驗(yàn)，大道理”的實(shí)驗(yàn)思想。教學(xué)中可引導(dǎo)、鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手制作，達(dá)到寓教于樂(lè)的教學(xué)目的，以此提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京教育科學(xué)研究院.八年級(jí)物理全一冊(cè)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2013：211.

[2]束為，殷皓.體驗(yàn)科學(xué)[M].北京：科學(xué)普及出版社，2016：27.

（欄目編輯 趙保鋼）