| 标题 | 小孔成像装置的改进及使用 |
| 范文 | 肖艳艳 【摘 要】本文从八年级物理教材习题中小孔成像装置的缺点谈起，利用身边随手可得的器材，对装置进行了改进，并介绍了其制作方法、优点和多种使用方法。 【关键词】小孔成像装置；改进制作；使用方法 【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1671-8437（2019）10-0145-02 在教学八年级物理“光的直线传播”这一内容时，小孔成像现象激发了学生强烈的好奇心。有的学生按书后习题用易拉罐做起了小孔成像装置，想观察小孔成像这一有趣的实验现象，结果在课堂上拿出来展示时，实验现象并不明显。为了保持学生浓烈的学习兴趣，培养动手创新能力，笔者鼓励并指导学生改进了这个实验装置。利用新装置成功地观察到了清晰的像，还能探究小孔成像相关的一系列问题。 1 原装置进行实验失败的原因分析 1.1 小孔尺寸过小或过大 小孔极小时，像模糊不清。因为小孔的线度太小，和光的波长可比時，此时通过小孔的光将不再直线传播，而是要发生衍射，这时的光学现象已经超出了小孔成像的范围。 小孔较小时，从一个发光点发出的大量光束中，只有很细的一束通过小孔，其他发光点发出的光束大多不与它相重叠，所以像比较清晰；若进入小孔的光线太弱，成像太暗而无法看清楚[1]。 小孔较大时，一个发光点发出的光线可以达到多处，多个发光点发出的光线相互重叠，图像就会变得不那么清晰，所成的像被射进筒内的大量的光线形成的光斑给对比下去了。 学生在制作过程中，由于对小孔的尺度“小”还没有正确的认识，打了一只较小或者较大的孔，就观察不到清晰的像[2]。适当的选择小孔尺寸，是得到清晰图像的 关键。 1.2 光屏和小孔的距离太近或者太远 学生在用易拉罐制作小孔成像装置时，将罐体截去了一半，留下一小段作为材料制作，这样做出来的小孔成像装置，光屏距离小孔位置太近，用它对物体进行观察时，光屏上会有一个小而模糊的像，同时还会出现一个与孔形状相同的亮斑。 有学生嫌弃易拉罐在制作过程中不容易剪切打孔，选择了薯片罐替代。使用长筒薯片罐制作小孔成像装置的同学，在用制作好的装置对教室边的窗户进行观察时，得不到清晰的像。此种情况是因为光屏距离小孔太远，而被观察的物体尺寸较大，通过小孔的光直线传播不到光屏上，成不了清晰的像。 1.3 被观察物体较暗或者光屏所处环境过亮 小孔成像成功的必要条件是小孔要“小”，故能通过小孔的光线量自然很少，实际光屏上像是相当暗淡的。在家里利用烛光借助暗室或夜晚，可以观察到清晰的像。带到学校将装置小孔正对窗户外的自然光照射下的物体，光屏处在一个比较明亮的环境中，像的明亮对比度降低，人眼不易观察。 2 对原装置进行改进 2.1 改进后装置展示 经过反复试验和改进，成功地制成了小孔成像装置如图1所示。 装置说明：①长方体纸盒（外筒）；②薄片磁体；③半透明描写纸；④长方体纸盒（内筒）。 2.2制作方法 （1）外筒的制作 外筒的选材上范围比较广，可用薯片罐、长方体纸盒、牙膏盒、化妆品盒等厚实纸盒。如果选择比较薄的纸盒，内部过于明亮，本来暗淡的像会更加看不清。图1中选用了酒的包装盒，底部是一块薄铁皮。在铁皮底部中央位置用工具打出一个等腰三角形的孔，边长1cm以上（方便用于更深一步的探究）。将薄片磁体平行于三角形的底边放好，如图2（a）；用于改变小孔的大小，如图2（b）；或改变小孔的形状，如图2（c）。对于普通纸盒，可以裁剪一块卡纸涂黑用于粘贴小孔。 （2）内筒的制作 内筒材料的选择，同样需要厚实遮光材料，可选取内径比外筒小一些的纸盒，纸筒长度大于外筒为好。将准备好的练字半透明描写纸（超市半透明塑料袋）铺平，用胶带纸将其拉紧包在方筒的一端，作光屏，如图1中的 装置④。 （3）组合小孔成像装置 将内筒有半透明膜的一端朝着小孔方向插入外筒中，调整到适当的位置，简易小孔成像装置就制作完毕了。将磁片如图2（b）备放，对着窗户或者近处自然光下的物体观察。 2.3 改进后装置的优点 学生在制作和使用改进后的装置，有如下几个 优点。 （1）选材容易获得，制作过程简单。此装置需两个内径相近的纸盒、美工刀、胶带纸、半透明描写纸、磁片（可用厚实纸片代替），从制作材料的获取上来说比较容易。制作工艺简单，学生很快就能完成。 （2）设计巧妙，效果明显，稳定性好，不易受外部环境的干扰。此装置的设计和改进，初衷就是为了克服在明亮的环境中，光屏上的像明亮对比度较低的缺点，在室外使用时，将眼睛凑近内筒口堵住筒口，形成一个暗室，几乎没有光线摄入内筒，就不会有光线干扰，保证成像清晰度高。 （3）功能强大，一个装置可以进行多种探究活动。此装置除了可以观察到清晰的像以外，还可以进行多种关于小孔成像问题的探究活动。 （4）操作简单，便于保存。在观察小孔成像时，只需要将小孔端对准被观察物体，眼睛贴近内筒开口端，将内筒拉出或推进调整即可自由观察到清晰的像。使用完毕将内筒推入外筒低端，便于保存。 （5）成本低，便于推广。纸盒到处可得，不用特地去购买，即使没有现成的纸盒，也可以用厚实的封面纸质卷制而成，对于缺乏实验器材的学校，特别有意义。 3 改进后装置的使用方法 3.1 观察小孔成像现象 将小孔用磁片（或纸片）遮盖到3 mm左右，对着教室较远的窗户，眼睛凑近内筒口，将内筒向外拉，直至出现清晰可观察的像。 3.2 探究像的大小和哪些因素有关 （1）探究像的大小和小孔与物体之间距离的关系。在观察到清晰的像的基础上，拿着装置慢慢远离或靠近窗口。当远离窗口时，光屏上的像变小；反之，像变大。 （2）探究像的大小、小孔和光屏之间距离的关系。在观察到清晰成像的基础上，不移动装置所处的位置，前后拉动内筒。当向外拉动内筒时，光屏上的像变大变暗；反之，像变小变亮。若继续向内推动内筒，使得光屏推得和小孔靠得太近，像会变模糊，甚至无法观察到，仅呈现三角形的光斑。 3.3 探究像形状与小孔形状是否有关 在观察到清晰的像的基础上，将磁片按照如图2b、c放置，不改变外筒和内筒位置，两种情况下像的大小和形状都没变。不少学生在制作过程中，在光屏上用铅笔打上了坐标方格线，观察大小关系更加直观明了。 3.4 探究像的大小与小孔的大小是否有关 在观察到清晰的像的基础上，将磁片按照如图2b放置，保持磁片在与小孔的底边平行的方向移动，多改变几次磁片的位置，不改变外筒和内筒的位置，小孔成像时，光屏上像的大小不随孔的大小改变，但其亮度会随着孔的变小而变暗。 3.5 初步探究小孔成像的条件 本装置可粗略判断出小孔成像的条件。将磁片按照图2b放置，使小孔尺寸为2 mm左右，并对着远处的窗户进行观察，使光屏上出现清晰的像；将磁片向小孔底边移动，逐步增加小孔的尺寸，光屏上的像渐渐变模糊，甚至变成一个边缘模糊的光斑。从而可以初步得出结论，小孔成像的条件之一是小孔要小于某个尺寸。 在光屏上出现清晰的像的时候，向内推动内筒，可以观察到当光屏非常接近小孔时，光屏上的像变得模糊不清，甚至留下一个与小孔形状相同的光斑。从而可以初步得出结论，小孔成像的另一个条件是光屏和小孔要有一定的距离。 该改进后的装置能直观地将小孔成像中多种现象呈现在学生眼前，这样能让学生亲身经历和体验实验过程，为进一步理解和掌握以“直线传播”知识为原理的小孔成像现象提供可靠的科学依据。这样的物理课堂具有物理味，利于学生核心素养的提高。学生通过“看”到“做”到“悟”，在体验中悟出小孔成像相關的道理。有利于培养他们终身学习的习惯、锻炼了其科学探究的能力，并有助于其创新意识和科学精神的培养。 【参考文献】 [1]刘咏梅，曹开铮.一道“小孔成像”题的实验探究[J].Journal of Physics Teaching. 2008（1）. [2]江耀基.自制模拟近视眼和远视眼的成因与矫正演示仪[J].物理教学，2017（2）. |
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