“小孔成像”实验装置的创新设计与使用

摘 要：人教版初中物理八年级上册教材设置的“小孔成像”实验，更多地是为了激发学生的学习兴趣和探究热情，因此相对不够完备。经过反复思考、多次实验，创新制作了一套发光稳定，光源、小孔形状可变，物距、像距可调，能全面研究“小孔成像”规律与特点的实验装置。我们可以使用这套装置来探究像与光源形状、小孔形状、小孔孔径的关系，也可以用来探究像的大小与哪些因素有关，还可以用来探究多孔成像规律。

关键词：初中物理；小孔成像；实验装置创新

一、 “小孔成像”实验方案存在的不足

“小孔成像”实验是光的直线传播规律的重要实例，也是光的直线传播这部分教学内容的难点。在很多试题或习题中，也将“小孔成像”作为一个重要的知识点进行考查，如：“小孔成像”中像的特点；像与孔大小的关系；像与孔形状的关系；像的大小与物的大小、物距和像距的关系；等等。［1］为了有效突破这一难点，人教版初中物理八年级上册教材在光的直线传播一节的“想想做做”中设计了如下页图1的实验方案。

我们以为，教材设置这一实验活动的目的更多地是为了激发学生的学习兴趣和探究热情，因此相对不够完备：该实验需要在较暗的环境中进行，因此像比较暗；光源不稳定，且形状、大小不能改变，无法研究像与物的关系；小孔的形状和大小不能改变，无法研究像的形状与哪些因素有关。对此，我们经过反复思考、多次实验，创新制作了一套发光稳定，光源、小孔形状可变，物距、像距可调，能全面研究“小孔成像”规律与特点的实验装置。

二、 “小孔成像”实验装置的创新设计

（一） 装置结构示意图

我们设计的实验装置由“可切换光源”和“可切换成像观测仪”两部分组成。“可切换光源”提供稳定的可随意调节形状和大小的光源；“可切换成像观测仪”负责像的承接，且能随意改变小孔的形状和大小以及像距的大小。装置结构示意图如图2所示。

经过大量的教学实践，发现本实验装置有如下优点：

1. 材料易得，成本低廉，制作简单，易于推广。智能手机十分普及，PVC管、PVC塑料等在生活中都很常见。

2. 成像清晰，稳定性好，不受环境光线的干扰。用手机放映PPT做光源，不仅稳定、亮度高，而且很容易制作和切换想要的各种形状和大小的光源；较长的不透明内、外筒，形成暗室，排除外界光线对像的干扰，还能改变像距和物距；抽拉式小孔卡片可以很方便地切换各种形状的小孔。

3. 功能强大，操作简单，探究全面。本实验装置可以围绕“小孔成像”的各种情况以及“多孔成像”开展实验探究，不但能满足教学的需求，还能激发学生的学习兴趣，培养学生的实验研究能力和科学思维。

4. 若给内筒外壁画上长度刻线，给半透明膜画上坐标线，还能对成像进行定量研究。

（二） 实验装置的制作

1. “可切换光源”的制作

用电脑制作5张PPT（如图3所示），黑色背景、白色字符（经过大量实验，这种PPT的设计成像效果最好），内容分别是：上（黑体，496号）；上（黑体，344号）；上（黑体，166号）；F（黑体，595号）；（形状调至最大）。

还需要准备一部智能手机，用来放映PPT，全屏播放。放映时需要把手机屏幕亮度调至最大，息屏时间调到10 min以上。以及准备一个手机支架，用于固定手机。

2. “可切换成像观测仪”的制作

可切换成像观测仪（如图4所示）由可切换多孔卡片、外筒和内筒组成。

可切换多孔卡片（以下简称“卡片”）：由一块长350 mm、宽50 mm、厚1 mm的不透明硬塑料做成，各孔的间距约为45 mm，并对各孔依次编号。孔的编号、形状和规格（直径或边长）如图5所示。

外筒：由长300 mm、外径75 mm、内径70 mm的带盖的不透明PVC圆管或圆纸筒做成，在盖的正中央开一个直径30 mm的圆孔，盖的两侧紧靠盖底开两个对称的长50 mm、宽1.5 mm的狭缝，其宽度略大于多孔卡片的厚度，当卡片插进狭缝后能紧贴盖底且能自由抽动。

内筒：由长350 mm、外径68 mm的PVC圆管或圆纸筒做成，比外筒的内径略小，在其一端蒙上半透明纸，使得蒙纸一端插入外筒后刚好能自由抽动。内、外筒较长是为了抽拉改变像距和形成暗室，避免环境光线的影响，使得像更加清晰。

三、 “小孔成像”创新实验装置的使用

（一） 探究像与光源形状的关系

调节手机与观测仪的位置，使观测仪中心轴线垂直于手机屏幕中心，调整好手机与小孔之间的距离（40 cm左右，以下简称“物距”）、内筒蒙纸端与小孔之间的距离（15 cm左右，以下简称“像距”），固定不变，小孔切换到3号孔，手机放映第1、4、5张幻灯片，在内筒的观测口观察成像情况。实验现象如图6所示。

结论：像与物是倒立、左右相反的，且像的形状与物体的形状相同。

（二） 探究像与小孔形状的关系

手机放映第4张幻灯片，调整合适的物距和像距，固定不变，抽动卡片，分别用第3、4、5号小孔观察成像情况；再放映第5张幻灯片，重复以上实验，实验现象如图7所示。

结论：像与小孔的形状无关，像的形状与光源（物体）相同。

（三） 探究像与小孔孔径的关系

手机放映第1张幻灯片，调整合适的物距和像距，固定不变，抽动卡片，分别用第1、2、3号孔观察成像情况，实验现象如图8所示。

结论：成像情况与小孔的大小有关。孔越小像越清晰，像越暗，因为此时透过小孔的光线较少；孔越大，成像越模糊，像越亮，因为此时透过孔的光线较多；当孔大到一定程度时，只能看到一个明亮的光斑，此时不成像，如1号孔。

（四） 探究像的大小与哪些因素有关

1. 调整合适的物距和像距，固定不变，卡片调至3号孔，手机放映第1、2、3张幻灯片，观察成像情况，实验现象如图9所示。

结论：其他条件不变时，物越大，像也越大。

2. 手机放映第3张幻灯片，像距不变，逐渐增加物距，观察成像情况，实验现象如图10所示。

结论：其他条件不变时，物距越大像越小，物距越小像越大。

3. 手机放映第3张幻灯片，物距不变，逐渐增加像距，观察成像情况，实验现象如图11所示。

结论：其他条件不变时，像距越小像越小，像距越大像越大。

综上：像的大小与物的大小以及物距和像距的大小都有关。

（五） 多孔成像的探究

调整合适的物距和像距，固定不变，卡片调至6号孔，手机放映第1、4张幻灯片，观察成像情况，再将卡片调至7号孔，重复上述实验，实验现象如图12所示。

结论：像的个数与小孔的个数相同。

此外，教师还可以指导学生在家自制“小孔成像”仪器，使物理实验延伸到课下、延伸到家庭。这不但能锻炼学生的实践动手能力，促进学生的深度学习，培养学生的创新意识，还充分落实了新课标倡导的跨学科实践“从生活走向物理，从物理走向社会”［2］的教学理念。

参考文献：

［1］ 盛将.小孔成像形状问题解决的教学实践［J］.物理教师，2020（10）：4547.

［2］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：6.