自制小孔成像演示仪——小孔成像实验的改进与创新

江苏省徐州市第三十四中学(221116) 刘娜娜

物理是一门以实验为基础的学科，兴趣是最好的老师，通过实验能够激发学生学习的兴趣。学生亲自动手实验，观察物理实验，体验科学探究的过程，让学生喜欢物理，热爱科学。学生在课堂上汲取了一定的理论知识，再通过自己动手实验，能够加深印象，对自己所学习的知识有个充分的理解，在实验中，发现问题，锻炼自己独立思考和解决问题的能力。

1 实验的要求与意义

通过小孔成像的实验，知道小孔成像与小孔形状无关。知道像的清晰度、明亮程度与哪些因素有关。知道像的大小与什么因素有关。学生通过动手实验，能够培养学生在日常生活中，对一些物理现象的观察和概括能力，培养学生的动手实践探究能力。

2 教材实验的不足

2.1 小孔的孔径小

苏科版物理教材上在探究小孔成像的实验中，实验用品是1根蜡烛和2块纸板。在每块纸板上画出2条对角线，在对角线的交点处用针戳出1个小孔，然后将2块纸板上的2个小孔置于一条直线上，通过蜡烛发出的光上下或左右移动发光物体，观察成像情况。但是在学生观察小孔成像的实验中，实验现象不明显。通过师生讨论，得知原因是由于小孔的孔径太小。本身蜡烛的光源又非常微弱，通过小孔的光线很少，又是白天做实验，实验效果不明显。

2.2 成像不清晰，光源不合适

在学习光沿直线传播这一知识点时，教材是通过小孔成像说明光沿直线传播。但做这个实验时，往往是在白天，本身光源亮度弱，白天做实验，成像不清晰。而且用蜡烛作为光源，蜡烛烛焰极易晃动，也会对实验造成影响，导致成像不清晰。在观察过程中，只能观察到小孔所成的像是上下颠倒的，并不能说明左右相反的特点，并且在观察小孔成像的特点中，会发现蜡烛越烧越短，这与控制变量法相违背。因此，在小孔成像的实验中选择一个合适的光源，光源亮度强并且能够说明所成的像是左右颠倒的，也是本实验需要解决的问题。

2.3 可视性差

在观察成像特点时，由于实验器材空间的问题，并不能做到让本组的学生一起观察实验效果，只能逐个学生观看，浪费时间，可视性差。

2.4 离光源太近，伤害眼睛

安全问题需要解决，每次观察时，学生离光源太近，光直射学生的眼睛，对学生眼睛有一定的伤害。

3 教具制作

为了解决上述问题，使实验现象更加明显，笔者创新自制了以下实验教具。

3.1 自制“F型”光源

图1 自制“F型”光源

自制“F型”光源(如图1所示)选用28个LED灯利用烙铁焊接而成。在制作过程中，可以选用5 mm的LED直插式小灯珠，然后将这些小灯珠插在电路板上焊接而成。将“F型”光源粘贴在暗箱中，相比较蜡烛而言，光源亮度是足够的。自制光源的亮度高，且尺寸远远大于小孔的孔径，因此能保证小孔成像的清晰度和亮度。如果想增加实验的趣味性和直观性，LED灯的光源颜色可选取不同的颜色，这样能很好地体现小孔成像是上下颠倒左右相反的实像，并且增加实验的趣味性。

3.2 自制暗箱

因为小孔成像时，小孔的的孔径比较小。实验过程中，能够通过小孔的光较少，成像时亮度不高，因此在平常光照的条件下，我们不容易观察到清晰的像。为了增强光源的亮度以及解决背景光的问题，需要制作暗室。自制的小孔成像综合演示仪如图2所示，3个长方体盒子a、b、c，a盒和b盒套在一起，a盒封死的一面粘贴有光源，拉动a盒改变物距，b盒和c盒套在一起，b盒上粘贴可改变形状和大小的小孔转盘，c盒上粘贴有白板，改变c盒改变像距。这样将整个实验装置用盒子封起来，就能很好地解决了自然光照干扰的问题，同时能够缓解观察者在较亮的环境中观察较暗景物时的不舒适感，因此成的像会更加清晰。

图2 自制小孔成像综合演示仪

3.3 自制激光报警器

自制激光报警器需要的材料由蜂鸣器、发光二极管、三极管、100 Ω电阻、502可调电阻以及光敏电阻、开关、4.5 V电源、电烙铁等焊接而成，注意焊接过程中三极管基极(B)、发射极(E)，集电极(C)引脚的区分，焊接电路图如图3(a)所示。

制成功的激光报警器，如图3(b)所示。当像呈现在光屏上时，将激光报警器放于光屏处，观察者不仅可以看见LED灯发光所成的像，还可以听见自制激光报警器报警发声。使整个实验更具有趣味性，同时并且更好地说明是LED灯所呈的像，使实验更有说服力。

图3 激光报警器

3.4 小孔成像转盘

将小孔成像的转盘(如图4所示)粘贴在b盒上，转盘上带有可变小孔，既可以改变孔的大小又可以改变孔的形状。既可以用来探究小孔成像的亮度与清晰度之间的关系，还可以探究小孔成像与小孔形状之间的关系。

4 小孔成像演示仪的实验过程

4.1 探究小孔成的像

将自制的“F型”光源放在自制的暗室内，观察小孔成像(如图5所示)，此时，将自制的激光报警器放置于成像处，成像时，激光器报警，吸引学生的注意力，同时便于寻找像的位置。从图5可看出成像是倒立的实像。

图4 小孔成像转盘

图5 小孔成像实验

4.2 小孔成像所成的像的形状与孔的形状的关系

实验中，改变小孔的形状，由于小孔特别小，后排学生观察不清楚，利用希沃授课助手实时将实验装置同屏到投影仪上。实验过程中，改变小孔的形状，观察成像情况(如图6所示)。

图6 不同形状的小孔所成的像

4.3 小孔成像所成的像的形状与孔的大小的关系

实验中，改变小孔的大小，由于小孔小，后排学生观察不清楚，利用希沃授课助手实时将实验装置同屏到投影仪上。实验过程中，改变小孔的大小，观察成像情况(如图7所示)。

图7 不同大小的孔所成的像

4.4 小孔成像所成的像的大小与什么因素有关

探究像的大小与物体到小孔距离的关系，使用“F型”光源和圆形小孔，增大物体到小孔的距离，观察光屏上的像。

探究像的大小与像到小孔的距离的关系，使用“F型”光源和圆形小孔，增大像到小孔的距离，观察光屏上的像。

4.5 实验结论

(1)小孔成像成的是倒立的实像。

(2)小孔成像像的形状与小孔形状无关。

(3)孔小，亮度弱，清晰；孔大，亮度强，模糊。

(4)小孔成的像大小变化与物距和像距有关。

5 小孔成像演示仪的优点

(1)为了增强光源的亮度，小孔成像综合演示仪做了三方面的努力。一是增加光源本身的强度，自制的“F型”LED灯强光源，使透过小孔的光更多，成的像更加清晰，并且采用多种颜色的LED灯能够增加整个实验的趣味性。“F型”光源能够很好地实现左右颠倒，学生能够更好地观察成像特点。二是使用暗箱，减少背景光的干扰，书中小孔成像的实验是在较亮的环境中进行的，学生看到的实验现象并不是太明显，而自制的小孔成像综合演示仪使整个实验在暗箱环境中进行，避免了白天背景光的干扰，间接增强了光源的亮度，使整个实验现象更加直观。三是自制小孔的孔径。由于光源远比小孔孔径尺寸大得多，所以成的像也更加清晰更加亮。

(2)光源稳定。“F型”光源相比较蜡烛而言，可以在不同的环境下观察成像的特点，并不会随着时间的推移，光源而有所变化。蜡烛的烛焰会飘动，而“F型”光源并不会随之飘动，影响实验。

(3)通过小孔成像演示仪，不仅能在白屏上观察到所成的像是实像，而且通过转盘，还可探究小孔成像与孔的形状有没有关系？探究像的清晰度、明亮程度与哪些因素有关？探究像的大小与什么因素有关?

(4)利用手机APP软件(希沃授课助手)同屏，放大实验现象，解决了后排同学看不清楚实验现象的问题。

(5)趣味性强。自制激光报警器，八年级的学生在以往的学习中并没有接触到蜂鸣器，当有光照射到光敏电阻上，蜂鸣器报警，发出声音。使学生感到很新奇，增加实验的趣味性。

6 实验操作简单

学生操作容易，只需要简单改变物体到小孔的距离，光屏到小孔的距离以及改变转盘上小孔的形状和大小，即可研究小孔成像的特点，可推广使用。