“小孔成像”實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與使用

摘 要：人教版初中物理八年級(jí)上冊(cè)教材設(shè)置的“小孔成像”實(shí)驗(yàn)，更多地是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情，因此相對(duì)不夠完備。經(jīng)過反復(fù)思考、多次實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新制作了一套發(fā)光穩(wěn)定，光源、小孔形狀可變，物距、像距可調(diào)，能全面研究“小孔成像”規(guī)律與特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置。我們可以使用這套裝置來探究像與光源形狀、小孔形狀、小孔孔徑的關(guān)系，也可以用來探究像的大小與哪些因素有關(guān)，還可以用來探究多孔成像規(guī)律。

關(guān)鍵詞：初中物理；小孔成像；實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新

一、 “小孔成像”實(shí)驗(yàn)方案存在的不足

“小孔成像”實(shí)驗(yàn)是光的直線傳播規(guī)律的重要實(shí)例，也是光的直線傳播這部分教學(xué)內(nèi)容的難點(diǎn)。在很多試題或習(xí)題中，也將“小孔成像”作為一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行考查，如：“小孔成像”中像的特點(diǎn)；像與孔大小的關(guān)系；像與孔形狀的關(guān)系；像的大小與物的大小、物距和像距的關(guān)系；等等。［1］為了有效突破這一難點(diǎn)，人教版初中物理八年級(jí)上冊(cè)教材在光的直線傳播一節(jié)的“想想做做”中設(shè)計(jì)了如下頁(yè)圖1的實(shí)驗(yàn)方案。

我們以為，教材設(shè)置這一實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目的更多地是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情，因此相對(duì)不夠完備：該實(shí)驗(yàn)需要在較暗的環(huán)境中進(jìn)行，因此像比較暗；光源不穩(wěn)定，且形狀、大小不能改變，無(wú)法研究像與物的關(guān)系；小孔的形狀和大小不能改變，無(wú)法研究像的形狀與哪些因素有關(guān)。對(duì)此，我們經(jīng)過反復(fù)思考、多次實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新制作了一套發(fā)光穩(wěn)定，光源、小孔形狀可變，物距、像距可調(diào)，能全面研究“小孔成像”規(guī)律與特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置。

二、 “小孔成像”實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一） 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置由“可切換光源”和“可切換成像觀測(cè)儀”兩部分組成?！翱汕袚Q光源”提供穩(wěn)定的可隨意調(diào)節(jié)形狀和大小的光源；“可切換成像觀測(cè)儀”負(fù)責(zé)像的承接，且能隨意改變小孔的形狀和大小以及像距的大小。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

經(jīng)過大量的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 材料易得，成本低廉，制作簡(jiǎn)單，易于推廣。智能手機(jī)十分普及，PVC管、PVC塑料等在生活中都很常見。

2. 成像清晰，穩(wěn)定性好，不受環(huán)境光線的干擾。用手機(jī)放映PPT做光源，不僅穩(wěn)定、亮度高，而且很容易制作和切換想要的各種形狀和大小的光源；較長(zhǎng)的不透明內(nèi)、外筒，形成暗室，排除外界光線對(duì)像的干擾，還能改變像距和物距；抽拉式小孔卡片可以很方便地切換各種形狀的小孔。

3. 功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，探究全面。本實(shí)驗(yàn)裝置可以圍繞“小孔成像”的各種情況以及“多孔成像”開展實(shí)驗(yàn)探究，不但能滿足教學(xué)的需求，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究能力和科學(xué)思維。

4. 若給內(nèi)筒外壁畫上長(zhǎng)度刻線，給半透明膜畫上坐標(biāo)線，還能對(duì)成像進(jìn)行定量研究。

（二） 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

1. “可切換光源”的制作

用電腦制作5張PPT（如圖3所示），黑色背景、白色字符（經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，這種PPT的設(shè)計(jì)成像效果最好），內(nèi)容分別是：上（黑體，496號(hào)）；上（黑體，344號(hào)）；上（黑體，166號(hào)）；F（黑體，595號(hào)）；（形狀調(diào)至最大）。

還需要準(zhǔn)備一部智能手機(jī)，用來放映PPT，全屏播放。放映時(shí)需要把手機(jī)屏幕亮度調(diào)至最大，息屏?xí)r間調(diào)到10 min以上。以及準(zhǔn)備一個(gè)手機(jī)支架，用于固定手機(jī)。

2. “可切換成像觀測(cè)儀”的制作

可切換成像觀測(cè)儀（如圖4所示）由可切換多孔卡片、外筒和內(nèi)筒組成。

可切換多孔卡片（以下簡(jiǎn)稱“卡片”）：由一塊長(zhǎng)350 mm、寬50 mm、厚1 mm的不透明硬塑料做成，各孔的間距約為45 mm，并對(duì)各孔依次編號(hào)。孔的編號(hào)、形狀和規(guī)格（直徑或邊長(zhǎng)）如圖5所示。

外筒：由長(zhǎng)300 mm、外徑75 mm、內(nèi)徑70 mm的帶蓋的不透明PVC圓管或圓紙筒做成，在蓋的正中央開一個(gè)直徑30 mm的圓孔，蓋的兩側(cè)緊靠蓋底開兩個(gè)對(duì)稱的長(zhǎng)50 mm、寬1.5 mm的狹縫，其寬度略大于多孔卡片的厚度，當(dāng)卡片插進(jìn)狹縫后能緊貼蓋底且能自由抽動(dòng)。

內(nèi)筒：由長(zhǎng)350 mm、外徑68 mm的PVC圓管或圓紙筒做成，比外筒的內(nèi)徑略小，在其一端蒙上半透明紙，使得蒙紙一端插入外筒后剛好能自由抽動(dòng)。內(nèi)、外筒較長(zhǎng)是為了抽拉改變像距和形成暗室，避免環(huán)境光線的影響，使得像更加清晰。

三、 “小孔成像”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置的使用

（一） 探究像與光源形狀的關(guān)系

調(diào)節(jié)手機(jī)與觀測(cè)儀的位置，使觀測(cè)儀中心軸線垂直于手機(jī)屏幕中心，調(diào)整好手機(jī)與小孔之間的距離（40 cm左右，以下簡(jiǎn)稱“物距”）、內(nèi)筒蒙紙端與小孔之間的距離（15 cm左右，以下簡(jiǎn)稱“像距”），固定不變，小孔切換到3號(hào)孔，手機(jī)放映第1、4、5張幻燈片，在內(nèi)筒的觀測(cè)口觀察成像情況。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

結(jié)論：像與物是倒立、左右相反的，且像的形狀與物體的形狀相同。

（二） 探究像與小孔形狀的關(guān)系

手機(jī)放映第4張幻燈片，調(diào)整合適的物距和像距，固定不變，抽動(dòng)卡片，分別用第3、4、5號(hào)小孔觀察成像情況；再放映第5張幻燈片，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7所示。

結(jié)論：像與小孔的形狀無(wú)關(guān)，像的形狀與光源（物體）相同。

（三） 探究像與小孔孔徑的關(guān)系

手機(jī)放映第1張幻燈片，調(diào)整合適的物距和像距，固定不變，抽動(dòng)卡片，分別用第1、2、3號(hào)孔觀察成像情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖8所示。

結(jié)論：成像情況與小孔的大小有關(guān)?？自叫∠裨角逦裨桨?，因?yàn)榇藭r(shí)透過小孔的光線較少；孔越大，成像越模糊，像越亮，因?yàn)榇藭r(shí)透過孔的光線較多；當(dāng)孔大到一定程度時(shí)，只能看到一個(gè)明亮的光斑，此時(shí)不成像，如1號(hào)孔。

（四） 探究像的大小與哪些因素有關(guān)

1. 調(diào)整合適的物距和像距，固定不變，卡片調(diào)至3號(hào)孔，手機(jī)放映第1、2、3張幻燈片，觀察成像情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖9所示。

結(jié)論：其他條件不變時(shí)，物越大，像也越大。

2. 手機(jī)放映第3張幻燈片，像距不變，逐漸增加物距，觀察成像情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖10所示。

結(jié)論：其他條件不變時(shí)，物距越大像越小，物距越小像越大。

3. 手機(jī)放映第3張幻燈片，物距不變，逐漸增加像距，觀察成像情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖11所示。

結(jié)論：其他條件不變時(shí)，像距越小像越小，像距越大像越大。

綜上：像的大小與物的大小以及物距和像距的大小都有關(guān)。

（五） 多孔成像的探究

調(diào)整合適的物距和像距，固定不變，卡片調(diào)至6號(hào)孔，手機(jī)放映第1、4張幻燈片，觀察成像情況，再將卡片調(diào)至7號(hào)孔，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖12所示。

結(jié)論：像的個(gè)數(shù)與小孔的個(gè)數(shù)相同。

此外，教師還可以指導(dǎo)學(xué)生在家自制“小孔成像”儀器，使物理實(shí)驗(yàn)延伸到課下、延伸到家庭。這不但能鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，還充分落實(shí)了新課標(biāo)倡導(dǎo)的跨學(xué)科實(shí)踐“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”［2］的教學(xué)理念。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 盛將.小孔成像形狀問題解決的教學(xué)實(shí)踐［J］.物理教師，2020（10）：4547.

［2］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：6.