肖艷艷

【摘 要】本文從八年級(jí)物理教材習(xí)題中小孔成像裝置的缺點(diǎn)談起，利用身邊隨手可得的器材，對(duì)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并介紹了其制作方法、優(yōu)點(diǎn)和多種使用方法。

【關(guān)鍵詞】小孔成像裝置；改進(jìn)制作；使用方法

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1671-8437（2019）10-0145-02

在教學(xué)八年級(jí)物理“光的直線傳播”這一內(nèi)容時(shí)，小孔成像現(xiàn)象激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心。有的學(xué)生按書(shū)后習(xí)題用易拉罐做起了小孔成像裝置，想觀察小孔成像這一有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)果在課堂上拿出來(lái)展示時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯。為了保持學(xué)生濃烈的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手創(chuàng)新能力，筆者鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。利用新裝置成功地觀察到了清晰的像，還能探究小孔成像相關(guān)的一系列問(wèn)題。

1 原裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)失敗的原因分析

1.1 小孔尺寸過(guò)小或過(guò)大

小孔極小時(shí)，像模糊不清。因?yàn)樾】椎木€度太小，和光的波長(zhǎng)可比時(shí)，此時(shí)通過(guò)小孔的光將不再直線傳播，而是要發(fā)生衍射，這時(shí)的光學(xué)現(xiàn)象已經(jīng)超出了小孔成像的范圍。

小孔較小時(shí)，從一個(gè)發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的大量光束中，只有很細(xì)的一束通過(guò)小孔，其他發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光束大多不與它相重疊，所以像比較清晰；若進(jìn)入小孔的光線太弱，成像太暗而無(wú)法看清楚[1]。

小孔較大時(shí)，一個(gè)發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線可以達(dá)到多處，多個(gè)發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線相互重疊，圖像就會(huì)變得不那么清晰，所成的像被射進(jìn)筒內(nèi)的大量的光線形成的光斑給對(duì)比下去了。

學(xué)生在制作過(guò)程中，由于對(duì)小孔的尺度“小”還沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)，打了一只較小或者較大的孔，就觀察不到清晰的像[2]。適當(dāng)?shù)倪x擇小孔尺寸，是得到清晰圖像的

關(guān)鍵。

1.2 光屏和小孔的距離太近或者太遠(yuǎn)

學(xué)生在用易拉罐制作小孔成像裝置時(shí)，將罐體截去了一半，留下一小段作為材料制作，這樣做出來(lái)的小孔成像裝置，光屏距離小孔位置太近，用它對(duì)物體進(jìn)行觀察時(shí)，光屏上會(huì)有一個(gè)小而模糊的像，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與孔形狀相同的亮斑。

有學(xué)生嫌棄易拉罐在制作過(guò)程中不容易剪切打孔，選擇了薯片罐替代。使用長(zhǎng)筒薯片罐制作小孔成像裝置的同學(xué)，在用制作好的裝置對(duì)教室邊的窗戶進(jìn)行觀察時(shí)，得不到清晰的像。此種情況是因?yàn)楣馄辆嚯x小孔太遠(yuǎn)，而被觀察的物體尺寸較大，通過(guò)小孔的光直線傳播不到光屏上，成不了清晰的像。

1.3 被觀察物體較暗或者光屏所處環(huán)境過(guò)亮

小孔成像成功的必要條件是小孔要“小”，故能通過(guò)小孔的光線量自然很少，實(shí)際光屏上像是相當(dāng)暗淡的。在家里利用燭光借助暗室或夜晚，可以觀察到清晰的像。帶到學(xué)校將裝置小孔正對(duì)窗戶外的自然光照射下的物體，光屏處在一個(gè)比較明亮的環(huán)境中，像的明亮對(duì)比度降低，人眼不易觀察。

2 對(duì)原裝置進(jìn)行改進(jìn)

2.1 改進(jìn)后裝置展示

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，成功地制成了小孔成像裝置如圖1所示。

裝置說(shuō)明：①長(zhǎng)方體紙盒（外筒）；②薄片磁體；③半透明描寫(xiě)紙；④長(zhǎng)方體紙盒（內(nèi)筒）。

2.2制作方法

（1）外筒的制作

外筒的選材上范圍比較廣，可用薯片罐、長(zhǎng)方體紙盒、牙膏盒、化妝品盒等厚實(shí)紙盒。如果選擇比較薄的紙盒，內(nèi)部過(guò)于明亮，本來(lái)暗淡的像會(huì)更加看不清。圖1中選用了酒的包裝盒，底部是一塊薄鐵皮。在鐵皮底部中央位置用工具打出一個(gè)等腰三角形的孔，邊長(zhǎng)1cm以上（方便用于更深一步的探究）。將薄片磁體平行于三角形的底邊放好，如圖2（a）；用于改變小孔的大小，如圖2（b）；或改變小孔的形狀，如圖2（c）。對(duì)于普通紙盒，可以裁剪一塊卡紙涂黑用于粘貼小孔。

（2）內(nèi)筒的制作

內(nèi)筒材料的選擇，同樣需要厚實(shí)遮光材料，可選取內(nèi)徑比外筒小一些的紙盒，紙筒長(zhǎng)度大于外筒為好。將準(zhǔn)備好的練字半透明描寫(xiě)紙（超市半透明塑料袋）鋪平，用膠帶紙將其拉緊包在方筒的一端，作光屏，如圖1中的

裝置④。

（3）組合小孔成像裝置

將內(nèi)筒有半透明膜的一端朝著小孔方向插入外筒中，調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢茫?jiǎn)易小孔成像裝置就制作完畢了。將磁片如圖2（b）備放，對(duì)著窗戶或者近處自然光下的物體觀察。

2.3 改進(jìn)后裝置的優(yōu)點(diǎn)

學(xué)生在制作和使用改進(jìn)后的裝置，有如下幾個(gè)

優(yōu)點(diǎn)。

（1）選材容易獲得，制作過(guò)程簡(jiǎn)單。此裝置需兩個(gè)內(nèi)徑相近的紙盒、美工刀、膠帶紙、半透明描寫(xiě)紙、磁片（可用厚實(shí)紙片代替），從制作材料的獲取上來(lái)說(shuō)比較容易。制作工藝簡(jiǎn)單，學(xué)生很快就能完成。

（2）設(shè)計(jì)巧妙，效果明顯，穩(wěn)定性好，不易受外部環(huán)境的干擾。此裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，初衷就是為了克服在明亮的環(huán)境中，光屏上的像明亮對(duì)比度較低的缺點(diǎn)，在室外使用時(shí)，將眼睛湊近內(nèi)筒口堵住筒口，形成一個(gè)暗室，幾乎沒(méi)有光線攝入內(nèi)筒，就不會(huì)有光線干擾，保證成像清晰度高。

（3）功能強(qiáng)大，一個(gè)裝置可以進(jìn)行多種探究活動(dòng)。此裝置除了可以觀察到清晰的像以外，還可以進(jìn)行多種關(guān)于小孔成像問(wèn)題的探究活動(dòng)。

（4）操作簡(jiǎn)單，便于保存。在觀察小孔成像時(shí)，只需要將小孔端對(duì)準(zhǔn)被觀察物體，眼睛貼近內(nèi)筒開(kāi)口端，將內(nèi)筒拉出或推進(jìn)調(diào)整即可自由觀察到清晰的像。使用完畢將內(nèi)筒推入外筒低端，便于保存。

（5）成本低，便于推廣。紙盒到處可得，不用特地去購(gòu)買(mǎi)，即使沒(méi)有現(xiàn)成的紙盒，也可以用厚實(shí)的封面紙質(zhì)卷制而成，對(duì)于缺乏實(shí)驗(yàn)器材的學(xué)校，特別有意義。

3 改進(jìn)后裝置的使用方法

3.1 觀察小孔成像現(xiàn)象

將小孔用磁片（或紙片）遮蓋到3 mm左右，對(duì)著教室較遠(yuǎn)的窗戶，眼睛湊近內(nèi)筒口，將內(nèi)筒向外拉，直至出現(xiàn)清晰可觀察的像。

3.2 探究像的大小和哪些因素有關(guān)

（1）探究像的大小和小孔與物體之間距離的關(guān)系。在觀察到清晰的像的基礎(chǔ)上，拿著裝置慢慢遠(yuǎn)離或靠近窗口。當(dāng)遠(yuǎn)離窗口時(shí)，光屏上的像變?。环粗?，像變大。

（2）探究像的大小、小孔和光屏之間距離的關(guān)系。在觀察到清晰成像的基礎(chǔ)上，不移動(dòng)裝置所處的位置，前后拉動(dòng)內(nèi)筒。當(dāng)向外拉動(dòng)內(nèi)筒時(shí)，光屏上的像變大變暗；反之，像變小變亮。若繼續(xù)向內(nèi)推動(dòng)內(nèi)筒，使得光屏推得和小孔靠得太近，像會(huì)變模糊，甚至無(wú)法觀察到，僅呈現(xiàn)三角形的光斑。

3.3 探究像形狀與小孔形狀是否有關(guān)

在觀察到清晰的像的基礎(chǔ)上，將磁片按照如圖2b、c放置，不改變外筒和內(nèi)筒位置，兩種情況下像的大小和形狀都沒(méi)變。不少學(xué)生在制作過(guò)程中，在光屏上用鉛筆打上了坐標(biāo)方格線，觀察大小關(guān)系更加直觀明了。

3.4 探究像的大小與小孔的大小是否有關(guān)

在觀察到清晰的像的基礎(chǔ)上，將磁片按照如圖2b放置，保持磁片在與小孔的底邊平行的方向移動(dòng)，多改變幾次磁片的位置，不改變外筒和內(nèi)筒的位置，小孔成像時(shí)，光屏上像的大小不隨孔的大小改變，但其亮度會(huì)隨著孔的變小而變暗。

3.5 初步探究小孔成像的條件

本裝置可粗略判斷出小孔成像的條件。將磁片按照?qǐng)D2b放置，使小孔尺寸為2 mm左右，并對(duì)著遠(yuǎn)處的窗戶進(jìn)行觀察，使光屏上出現(xiàn)清晰的像；將磁片向小孔底邊移動(dòng)，逐步增加小孔的尺寸，光屏上的像漸漸變模糊，甚至變成一個(gè)邊緣模糊的光斑。從而可以初步得出結(jié)論，小孔成像的條件之一是小孔要小于某個(gè)尺寸。

在光屏上出現(xiàn)清晰的像的時(shí)候，向內(nèi)推動(dòng)內(nèi)筒，可以觀察到當(dāng)光屏非常接近小孔時(shí)，光屏上的像變得模糊不清，甚至留下一個(gè)與小孔形狀相同的光斑。從而可以初步得出結(jié)論，小孔成像的另一個(gè)條件是光屏和小孔要有一定的距離。

該改進(jìn)后的裝置能直觀地將小孔成像中多種現(xiàn)象呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，這樣能讓學(xué)生親身經(jīng)歷和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為進(jìn)一步理解和掌握以“直線傳播”知識(shí)為原理的小孔成像現(xiàn)象提供可靠的科學(xué)依據(jù)。這樣的物理課堂具有物理味，利于學(xué)生核心素養(yǎng)的提高。學(xué)生通過(guò)“看”到“做”到“悟”，在體驗(yàn)中悟出小孔成像相關(guān)的道理。有利于培養(yǎng)他們終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣、鍛煉了其科學(xué)探究的能力，并有助于其創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)精神的培養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉詠梅，曹開(kāi)錚.一道“小孔成像”題的實(shí)驗(yàn)探究[J].Journal of Physics Teaching. 2008（1）.

[2]江耀基.自制模擬近視眼和遠(yuǎn)視眼的成因與矯正演示儀[J].物理教學(xué)，2017（2）.