自制小孔成像演示儀
——小孔成像實驗的改進與創(chuàng)新

江蘇省徐州市第三十四中學(221116) 劉娜娜

物理是一門以實驗為基礎的學科，興趣是最好的老師，通過實驗能夠激發(fā)學生學習的興趣。學生親自動手實驗，觀察物理實驗，體驗科學探究的過程，讓學生喜歡物理，熱愛科學。學生在課堂上汲取了一定的理論知識，再通過自己動手實驗，能夠加深印象，對自己所學習的知識有個充分的理解，在實驗中，發(fā)現問題，鍛煉自己獨立思考和解決問題的能力。

1 實驗的要求與意義

通過小孔成像的實驗，知道小孔成像與小孔形狀無關。知道像的清晰度、明亮程度與哪些因素有關。知道像的大小與什么因素有關。學生通過動手實驗，能夠培養(yǎng)學生在日常生活中，對一些物理現象的觀察和概括能力，培養(yǎng)學生的動手實踐探究能力。

2 教材實驗的不足

2.1 小孔的孔徑小

蘇科版物理教材上在探究小孔成像的實驗中，實驗用品是1根蠟燭和2塊紙板。在每塊紙板上畫出2條對角線，在對角線的交點處用針戳出1個小孔，然后將2塊紙板上的2個小孔置于一條直線上，通過蠟燭發(fā)出的光上下或左右移動發(fā)光物體，觀察成像情況。但是在學生觀察小孔成像的實驗中，實驗現象不明顯。通過師生討論，得知原因是由于小孔的孔徑太小。本身蠟燭的光源又非常微弱，通過小孔的光線很少，又是白天做實驗，實驗效果不明顯。

2.2 成像不清晰，光源不合適

在學習光沿直線傳播這一知識點時，教材是通過小孔成像說明光沿直線傳播。但做這個實驗時，往往是在白天，本身光源亮度弱，白天做實驗，成像不清晰。而且用蠟燭作為光源，蠟燭燭焰極易晃動，也會對實驗造成影響，導致成像不清晰。在觀察過程中，只能觀察到小孔所成的像是上下顛倒的，并不能說明左右相反的特點，并且在觀察小孔成像的特點中，會發(fā)現蠟燭越燒越短，這與控制變量法相違背。因此，在小孔成像的實驗中選擇一個合適的光源，光源亮度強并且能夠說明所成的像是左右顛倒的，也是本實驗需要解決的問題。

2.3 可視性差

在觀察成像特點時，由于實驗器材空間的問題，并不能做到讓本組的學生一起觀察實驗效果，只能逐個學生觀看，浪費時間，可視性差。

2.4 離光源太近，傷害眼睛

安全問題需要解決，每次觀察時，學生離光源太近，光直射學生的眼睛，對學生眼睛有一定的傷害。

3 教具制作

為了解決上述問題，使實驗現象更加明顯，筆者創(chuàng)新自制了以下實驗教具。

3.1 自制“F型”光源

圖1 自制“F型”光源

自制“F型”光源(如圖1所示)選用28個LED燈利用烙鐵焊接而成。在制作過程中，可以選用5 mm的LED直插式小燈珠，然后將這些小燈珠插在電路板上焊接而成。將“F型”光源粘貼在暗箱中，相比較蠟燭而言，光源亮度是足夠的。自制光源的亮度高，且尺寸遠遠大于小孔的孔徑，因此能保證小孔成像的清晰度和亮度。如果想增加實驗的趣味性和直觀性，LED燈的光源顏色可選取不同的顏色，這樣能很好地體現小孔成像是上下顛倒左右相反的實像，并且增加實驗的趣味性。

3.2 自制暗箱

因為小孔成像時，小孔的的孔徑比較小。實驗過程中，能夠通過小孔的光較少，成像時亮度不高，因此在平常光照的條件下，我們不容易觀察到清晰的像。為了增強光源的亮度以及解決背景光的問題，需要制作暗室。自制的小孔成像綜合演示儀如圖2所示，3個長方體盒子a、b、c，a盒和b盒套在一起，a盒封死的一面粘貼有光源，拉動a盒改變物距，b盒和c盒套在一起，b盒上粘貼可改變形狀和大小的小孔轉盤，c盒上粘貼有白板，改變c盒改變像距。這樣將整個實驗裝置用盒子封起來，就能很好地解決了自然光照干擾的問題，同時能夠緩解觀察者在較亮的環(huán)境中觀察較暗景物時的不舒適感，因此成的像會更加清晰。

圖2 自制小孔成像綜合演示儀

3.3 自制激光報警器

自制激光報警器需要的材料由蜂鳴器、發(fā)光二極管、三極管、100 Ω電阻、502可調電阻以及光敏電阻、開關、4.5 V電源、電烙鐵等焊接而成，注意焊接過程中三極管基極(B)、發(fā)射極(E)，集電極(C)引腳的區(qū)分，焊接電路圖如圖3(a)所示。

制成功的激光報警器，如圖3(b)所示。當像呈現在光屏上時，將激光報警器放于光屏處，觀察者不僅可以看見LED燈發(fā)光所成的像，還可以聽見自制激光報警器報警發(fā)聲。使整個實驗更具有趣味性，同時并且更好地說明是LED燈所呈的像，使實驗更有說服力。

圖3 激光報警器

3.4 小孔成像轉盤

將小孔成像的轉盤(如圖4所示)粘貼在b盒上，轉盤上帶有可變小孔，既可以改變孔的大小又可以改變孔的形狀。既可以用來探究小孔成像的亮度與清晰度之間的關系，還可以探究小孔成像與小孔形狀之間的關系。

4 小孔成像演示儀的實驗過程

4.1 探究小孔成的像

將自制的“F型”光源放在自制的暗室內，觀察小孔成像(如圖5所示)，此時，將自制的激光報警器放置于成像處，成像時，激光器報警，吸引學生的注意力，同時便于尋找像的位置。從圖5可看出成像是倒立的實像。

圖4 小孔成像轉盤

圖5 小孔成像實驗

4.2 小孔成像所成的像的形狀與孔的形狀的關系

實驗中，改變小孔的形狀，由于小孔特別小，后排學生觀察不清楚，利用希沃授課助手實時將實驗裝置同屏到投影儀上。實驗過程中，改變小孔的形狀，觀察成像情況(如圖6所示)。

圖6 不同形狀的小孔所成的像

4.3 小孔成像所成的像的形狀與孔的大小的關系

實驗中，改變小孔的大小，由于小孔小，后排學生觀察不清楚，利用希沃授課助手實時將實驗裝置同屏到投影儀上。實驗過程中，改變小孔的大小，觀察成像情況(如圖7所示)。

圖7 不同大小的孔所成的像

4.4 小孔成像所成的像的大小與什么因素有關

探究像的大小與物體到小孔距離的關系，使用“F型”光源和圓形小孔，增大物體到小孔的距離，觀察光屏上的像。

探究像的大小與像到小孔的距離的關系，使用“F型”光源和圓形小孔，增大像到小孔的距離，觀察光屏上的像。

4.5 實驗結論

(1)小孔成像成的是倒立的實像。

(2)小孔成像像的形狀與小孔形狀無關。

(3)孔小，亮度弱，清晰；孔大，亮度強，模糊。

(4)小孔成的像大小變化與物距和像距有關。

5 小孔成像演示儀的優(yōu)點

(1)為了增強光源的亮度，小孔成像綜合演示儀做了三方面的努力。一是增加光源本身的強度，自制的“F型”LED燈強光源，使透過小孔的光更多，成的像更加清晰，并且采用多種顏色的LED燈能夠增加整個實驗的趣味性?！癋型”光源能夠很好地實現左右顛倒，學生能夠更好地觀察成像特點。二是使用暗箱，減少背景光的干擾，書中小孔成像的實驗是在較亮的環(huán)境中進行的，學生看到的實驗現象并不是太明顯，而自制的小孔成像綜合演示儀使整個實驗在暗箱環(huán)境中進行，避免了白天背景光的干擾，間接增強了光源的亮度，使整個實驗現象更加直觀。三是自制小孔的孔徑。由于光源遠比小孔孔徑尺寸大得多，所以成的像也更加清晰更加亮。

(2)光源穩(wěn)定?！癋型”光源相比較蠟燭而言，可以在不同的環(huán)境下觀察成像的特點，并不會隨著時間的推移，光源而有所變化。蠟燭的燭焰會飄動，而“F型”光源并不會隨之飄動，影響實驗。

(3)通過小孔成像演示儀，不僅能在白屏上觀察到所成的像是實像，而且通過轉盤，還可探究小孔成像與孔的形狀有沒有關系？探究像的清晰度、明亮程度與哪些因素有關？探究像的大小與什么因素有關?

(4)利用手機APP軟件(希沃授課助手)同屏，放大實驗現象，解決了后排同學看不清楚實驗現象的問題。

(5)趣味性強。自制激光報警器，八年級的學生在以往的學習中并沒有接觸到蜂鳴器，當有光照射到光敏電阻上，蜂鳴器報警，發(fā)出聲音。使學生感到很新奇，增加實驗的趣味性。

6 實驗操作簡單

學生操作容易，只需要簡單改變物體到小孔的距離，光屏到小孔的距離以及改變轉盤上小孔的形狀和大小，即可研究小孔成像的特點，可推廣使用。