江蘇省徐州市第三十四中學(xué)(221116) 劉娜娜

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，興趣是最好的老師，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，觀察物理實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，讓學(xué)生喜歡物理，熱愛(ài)科學(xué)。學(xué)生在課堂上汲取了一定的理論知識(shí)，再通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，能夠加深印象，對(duì)自己所學(xué)習(xí)的知識(shí)有個(gè)充分的理解，在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，鍛煉自己獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)的要求與意義

通過(guò)小孔成像的實(shí)驗(yàn)，知道小孔成像與小孔形狀無(wú)關(guān)。知道像的清晰度、明亮程度與哪些因素有關(guān)。知道像的大小與什么因素有關(guān)。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生在日常生活中，對(duì)一些物理現(xiàn)象的觀察和概括能力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐探究能力。

2 教材實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)用品是1根蠟燭和2塊紙板。在每塊紙板上畫(huà)出2條對(duì)角線，在對(duì)角線的交點(diǎn)處用針戳出1個(gè)小孔，然后將2塊紙板上的2個(gè)小孔置于一條直線上，通過(guò)蠟燭發(fā)出的光上下或左右移動(dòng)發(fā)光物體，觀察成像情況。但是在學(xué)生觀察小孔成像的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。通過(guò)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(guò)小孔的光線很少，又是白天做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果不明顯。

2.2 成像不清晰，光源不合適

在學(xué)習(xí)光沿直線傳播這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教材是通過(guò)小孔成像說(shuō)明光沿直線傳播。但做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往是在白天，本身光源亮度弱，白天做實(shí)驗(yàn)，成像不清晰。而且用蠟燭作為光源，蠟燭燭焰極易晃動(dòng)，也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，導(dǎo)致成像不清晰。在觀察過(guò)程中，只能觀察到小孔所成的像是上下顛倒的，并不能說(shuō)明左右相反的特點(diǎn)，并且在觀察小孔成像的特點(diǎn)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)中選擇一個(gè)合適的光源，光源亮度強(qiáng)并且能夠說(shuō)明所成的像是左右顛倒的，也是本實(shí)驗(yàn)需要解決的問(wèn)題。

2.3 可視性差

在觀察成像特點(diǎn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)器材空間的問(wèn)題，并不能做到讓本組的學(xué)生一起觀察實(shí)驗(yàn)效果，只能逐個(gè)學(xué)生觀看，浪費(fèi)時(shí)間，可視性差。

2.4 離光源太近，傷害眼睛

安全問(wèn)題需要解決，每次觀察時(shí)，學(xué)生離光源太近，光直射學(xué)生的眼睛，對(duì)學(xué)生眼睛有一定的傷害。

3 教具制作

為了解決上述問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，筆者創(chuàng)新自制了以下實(shí)驗(yàn)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(gè)LED燈利用烙鐵焊接而成。在制作過(guò)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)小孔成像是上下顛倒左右相反的實(shí)像，并且增加實(shí)驗(yàn)的趣味性。

3.2 自制暗箱

因?yàn)樾】壮上駮r(shí)，小孔的的孔徑比較小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠通過(guò)小孔的光較少，成像時(shí)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(qiáng)光源的亮度以及解決背景光的問(wèn)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(gè)長(zhǎng)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(dòng)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(zhuǎn)盤(pán)，c盒上粘貼有白板，改變c盒改變像距。這樣將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置用盒子封起來(lái)，就能很好地解決了自然光照干擾的問(wèn)題，同時(shí)能夠緩解觀察者在較亮的環(huán)境中觀察較暗景物時(shí)的不舒適感，因此成的像會(huì)更加清晰。

圖2 自制小孔成像綜合演示儀

3.3 自制激光報(bào)警器

自制激光報(bào)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(diào)電阻以及光敏電阻、開(kāi)關(guān)、4.5 V電源、電烙鐵等焊接而成，注意焊接過(guò)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(bào)警器，如圖3(b)所示。當(dāng)像呈現(xiàn)在光屏上時(shí)，將激光報(bào)警器放于光屏處，觀察者不僅可以看見(jiàn)LED燈發(fā)光所成的像，還可以聽(tīng)見(jiàn)自制激光報(bào)警器報(bào)警發(fā)聲。使整個(gè)實(shí)驗(yàn)更具有趣味性，同時(shí)并且更好地說(shuō)明是LED燈所呈的像，使實(shí)驗(yàn)更有說(shuō)服力。

圖3 激光報(bào)警器

3.4 小孔成像轉(zhuǎn)盤(pán)

將小孔成像的轉(zhuǎn)盤(pán)(如圖4所示)粘貼在b盒上，轉(zhuǎn)盤(pán)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(lái)探究小孔成像的亮度與清晰度之間的關(guān)系，還可以探究小孔成像與小孔形狀之間的關(guān)系。

4 小孔成像演示儀的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(nèi)，觀察小孔成像(如圖5所示)，此時(shí)，將自制的激光報(bào)警器放置于成像處，成像時(shí)，激光器報(bào)警，吸引學(xué)生的注意力，同時(shí)便于尋找像的位置。從圖5可看出成像是倒立的實(shí)像。

圖4 小孔成像轉(zhuǎn)盤(pán)

圖5 小孔成像實(shí)驗(yàn)

4.2 小孔成像所成的像的形狀與孔的形狀的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中，改變小孔的形狀，由于小孔特別小，后排學(xué)生觀察不清楚，利用希沃授課助手實(shí)時(shí)將實(shí)驗(yàn)裝置同屏到投影儀上。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guān)系

實(shí)驗(yàn)中，改變小孔的大小，由于小孔小，后排學(xué)生觀察不清楚，利用希沃授課助手實(shí)時(shí)將實(shí)驗(yàn)裝置同屏到投影儀上。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guān)

探究像的大小與物體到小孔距離的關(guān)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(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)小孔成像成的是倒立的實(shí)像。

(2)小孔成像像的形狀與小孔形狀無(wú)關(guān)。

(3)孔小，亮度弱，清晰；孔大，亮度強(qiáng)，模糊。

(4)小孔成的像大小變化與物距和像距有關(guān)。

5 小孔成像演示儀的優(yōu)點(diǎn)

(1)為了增強(qiáng)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(qiáng)度，自制的“F型”LED燈強(qiáng)光源，使透過(guò)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(gè)實(shí)驗(yàn)的趣味性。“F型”光源能夠很好地實(shí)現(xiàn)左右顛倒，學(xué)生能夠更好地觀察成像特點(diǎn)。二是使用暗箱，減少背景光的干擾，書(shū)中小孔成像的實(shí)驗(yàn)是在較亮的環(huán)境中進(jìn)行的，學(xué)生看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不是太明顯，而自制的小孔成像綜合演示儀使整個(gè)實(shí)驗(yàn)在暗箱環(huán)境中進(jìn)行，避免了白天背景光的干擾，間接增強(qiáng)了光源的亮度，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀。三是自制小孔的孔徑。由于光源遠(yuǎn)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(diǎn)，并不會(huì)隨著時(shí)間的推移，光源而有所變化。蠟燭的燭焰會(huì)飄動(dòng)，而“F型”光源并不會(huì)隨之飄動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)。

(3)通過(guò)小孔成像演示儀，不僅能在白屏上觀察到所成的像是實(shí)像，而且通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)，還可探究小孔成像與孔的形狀有沒(méi)有關(guān)系？探究像的清晰度、明亮程度與哪些因素有關(guān)？探究像的大小與什么因素有關(guān)?

(4)利用手機(jī)APP軟件(希沃授課助手)同屏，放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決了后排同學(xué)看不清楚實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的問(wèn)題。

(5)趣味性強(qiáng)。自制激光報(bào)警器，八年級(jí)的學(xué)生在以往的學(xué)習(xí)中并沒(méi)有接觸到蜂鳴器，當(dāng)有光照射到光敏電阻上，蜂鳴器報(bào)警，發(fā)出聲音。使學(xué)生感到很新奇，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性。

6 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單

學(xué)生操作容易，只需要簡(jiǎn)單改變物體到小孔的距離，光屏到小孔的距離以及改變轉(zhuǎn)盤(pán)上小孔的形狀和大小，即可研究小孔成像的特點(diǎn)，可推廣使用。