小孔成像演示儀的制作與思考

張鳴鳴　李成金

摘要：雖然小孔成像是生活中的常見現(xiàn)象，但是幫助學(xué)生理解小孔成像的原理并不是一件容易的事.僅憑教師口頭描述，很難讓學(xué)生產(chǎn)生直觀感性的認(rèn)識.如果進(jìn)行實驗教學(xué)，又受到實驗器材的限制，無法完成實驗或者不能進(jìn)行深層次的探究.如果教師制作小孔成像的演示儀器進(jìn)行實驗教學(xué)，有助于教學(xué)活動更加直觀地展開.本文主要介紹實驗儀器的制作以及對實驗過程的思考和改進(jìn).

關(guān)鍵詞：小孔成像;自制教具;物理實驗;初中物理

文章編號：1008-4134（2019）20-0011中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：張鳴鳴（1985-），女，江蘇南通人，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理教育教學(xué);

李成金（1960-），男，遼寧錦州人，本科，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：大學(xué)物理教學(xué)研究.

小孔成像是光的直線傳播的重要實例，也是蘇科版物理第三章綜合實踐活動的內(nèi)容.教學(xué)中需要了解的知識點有：小孔成像中像的特點;小孔成像與孔的大小的關(guān)系;小孔成像與孔的形狀的關(guān)系;小孔成像中像的大小與物體的大小、物距和像距的關(guān)系等.雖然小孔成像是生活中的常見現(xiàn)象，然而在課堂教學(xué)中由于實驗條件的限制難以讓學(xué)生從實驗探究中得到結(jié)論.如果能制作小孔成像演示儀進(jìn)行演示實驗，讓學(xué)生通過觀察獲得感性的認(rèn)識，將會使學(xué)習(xí)事半功倍.

1用簡易針孔照相機(jī)進(jìn)行實驗的不足

用易拉罐、塑料袋所制作的簡易針孔照相機(jī)是簡單的小孔成像演示儀，它以蠟燭作為光源.進(jìn)行探究時，可以得到小孔成像的像是上下顛倒的實像，也可以得到只增大物距時像增大的現(xiàn)象.但是無法清晰說明所成像左右相反的特征，也不能對小孔成像的其他特性進(jìn)行較全面的探究.并且在蠟燭燃燒的過程中，燭焰的大小也在變化，與控制變量法的思維相悖.為了解決這些問題，對小孔成像的實驗演示儀進(jìn)行改進(jìn).

2設(shè)計小孔成像演示儀時需要解決的問題

2.1光源

使用F型光源能較好地體現(xiàn)小孔成像所成的是上下顛倒左右相反的實像.自制F型光源（如圖1所示）選用5mm的LED直插式白光小燈珠共計21枚，插在紙板上焊接而成.小燈珠的額定電壓3.0～3.2V，可以使用兩節(jié)1.5V的干電池作為電源，再用單刀雙擲開關(guān)控制電路的通斷，制作的電路（如圖2所示）.斷開開關(guān)S1閉合開關(guān)S2，F(xiàn)型光源較小（如圖3所示）;閉合開關(guān)S1和S2，F(xiàn)型光源較大（如圖4所示）.

2.2光屏

小孔成像是實像，實像是指能夠在光屏上呈現(xiàn)的像.實驗中使用半透明紙作為光屏，在紙上打上了5mm×5mm的方格，并將光屏制成盒狀（如圖5所示）.方格能更好地比較像的大小.

2.3暗室

由于小孔的孔徑都較小，能夠通過小孔的光較少，成像時亮度不高，在自然光照的條件下很難觀察到清晰的像，因此需要制作暗室.實驗中采用A4（210mm×297mm）黑色?？?，制作了四個長方體盒子（如圖6、7所示）.方形的盒子可以直接放在桌面上，方便實驗的操作.紙盒a136mm×80mm×122mm，紙盒b136mm×80mm×122mm，紙盒c210mm×87mm×127mm，紙盒d205mm×79mm×120mm.從紙盒的規(guī)格可知，紙盒a、d和紙盒b、c分別都能套在一起.實驗中將紙盒a、d套在一起，拉動紙盒a改變物距;將紙盒b、c套在一起，既可以將c當(dāng)作暗室，又可以拉動紙盒c改變像距.

2.4小孔

小孔一：直徑2mm的圓孔（如圖8所示）用來研究小孔成像中像的特點.小孔二：邊長35mm的等腰三角形（如圖9所示），配合兩個紙帶（如圖10所示：紙帶a遮光紙帶，紙帶b不同形狀的小孔）用來探究小孔成像與孔的大小和孔的形狀的關(guān)系.

探究小孔成像與孔的大小的關(guān)系時，使用等邊三角形小孔和紙帶a（如圖11所示），實驗時將紙帶慢慢向上移動，觀察光屏上像的變化.圖中有三對小磁鐵，上方兩對作為限位，防止紙帶a移動得太靠上將小孔完全遮住，下方一對使小孔壓在紙帶上，使兩者接觸更加緊密.

探究小孔成像與孔的形狀的關(guān)系時，使用等邊三角形小孔和紙帶b（如圖12所示），實驗時將紙帶慢慢向左側(cè)移動.為了保證在探究時有小孔并且只有一個小孔，在適當(dāng)?shù)奈恢米錾蠘?biāo)記.圖中三對小磁體，其中兩對在下方拖住紙帶b，使紙帶水平移動;另外一對壓在紙帶b和小孔上，使兩者接觸更加緊密.

3實驗探究

觀察小孔成像中像的特點，使用F型光源，圓形小孔，紙盒a、b，光屏，安裝實驗儀器（如圖13所示），觀察光屏成像（如圖14所示）.

探究小孔成像與孔的大小的關(guān)系，使用F型光源，等邊三角形小孔，紙盒a、b，紙帶a，光屏，安裝實驗儀器.進(jìn)行實驗時向上移動紙帶a的過程中，觀察光屏上像的變化（如圖15、16所示）.

探究小孔成像與孔的形狀的關(guān)系時，使用F型光源，等邊三角形小孔，紙盒a、b，紙帶b，光屏，安裝實驗儀器.改變小孔的形狀觀察像的變化（如圖17所示）.

探究像的大小與物體大小的關(guān)系，使用F型光源，圓形小孔，紙盒a、b，光屏，安裝實驗裝置.斷開開關(guān)S1（其它探究中都閉合S1和S2），觀察光屏上的像（如圖18所示），與圖14比較.

探究像的大小與物距的關(guān)系時，使用F型光源，圓形小孔，紙盒a、b、d，光屏，安裝實驗裝置.增大物距，觀察光屏上的像（如圖19、20所示）.

探究像的大小與像距的關(guān)系，使用F型光源，圓形小孔，紙盒a、b、c，光屏，安裝實驗裝置.增大像距，觀察光屏上的像（如圖21、22所示）.

4實驗后的思考與改進(jìn)

4.1孔較大時為什么不是三角形光斑（如圖15所示）

從圖15可知，此時所成的不是一個三角形的光斑，而是重重疊疊的很多三角形，這是什么原因造成的呢？這個現(xiàn)象是不是就是小孔成像了呢？顯然此時孔徑與光源相比較大，不應(yīng)該發(fā)生小孔成像.為了研究這個問題，特制作了兩個光源（一個LED燈珠和兩個LED燈珠）并用圖13所示的實驗裝置進(jìn)行了探究，成像如圖23、24所示.可見，這是由于光的直線傳播形成的.由于兩個LED燈珠作為光源時發(fā)光部位有一定距離，所以在光屏上形成了兩個與孔的形狀相同的光斑.可見，圖17是由于F型光源由多個LED小燈珠構(gòu)成才出現(xiàn)的多個未能重合的三角形光斑.

4.2物距等于像距時為什么不是等大的實像

使用圖13的實驗裝置時，由于物距等于像距應(yīng)該可以得到等大的像.但是通過數(shù)F型光源和圖14上的格子，發(fā)現(xiàn)光屏上并不是等大的像.這是由于紙板、牛卡紙都有厚度，自制教具不精密，因此無法呈現(xiàn)這一點.

5制作實驗儀器過程中的收獲

初中物理實驗的儀器制作并不復(fù)雜，大部分用簡單的工具就可以完成.但是想要實驗儀器達(dá)到預(yù)期的效果，也需要良好的設(shè)計和制作.大部分的物理教師都具有這樣的知識和能力.只不過，我們都滿足于現(xiàn)成的實驗儀器進(jìn)行物理實驗教學(xué).然而真正動起手來制作實驗儀器也沒有想象中困難.實驗儀器的制作能培養(yǎng)物理教師的設(shè)計能力和制作水平.實驗的操作中也會發(fā)生很多讓人意料不到的現(xiàn)象，挖掘現(xiàn)象背后的物理內(nèi)涵更有利于提高教師物理素養(yǎng).

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（收稿日期：2019-06-04）