张鸣鸣 李成金
摘要：虽然小孔成像是生活中的常见现象，但是帮助学生理解小孔成像的原理并不是一件容易的事.仅凭教师口头描述，很难让学生产生直观感性的认识.如果进行实验教学，又受到实验器材的限制，无法完成实验或者不能进行深层次的探究.如果教师制作小孔成像的演示仪器进行实验教学，有助于教学活动更加直观地展开.本文主要介绍实验仪器的制作以及对实验过程的思考和改进.
关键词：小孔成像;自制教具;物理实验;初中物理
文章编号：1008-4134（2019）20-0011中图分类号：G633.7文献标识码：B
作者简介：张鸣鸣（1985-），女，江苏南通人，本科，中学二级教师，研究方向：中学物理教育教学;
李成金（1960-），男，辽宁锦州人，本科，教授，硕士生导师，研究方向：大学物理教学研究.
小孔成像是光的直线传播的重要实例，也是苏科版物理第三章综合实践活动的内容.教学中需要了解的知识点有：小孔成像中像的特点;小孔成像与孔的大小的关系;小孔成像与孔的形状的关系;小孔成像中像的大小与物体的大小、物距和像距的关系等.虽然小孔成像是生活中的常见现象，然而在课堂教学中由于实验条件的限制难以让学生从实验探究中得到结论.如果能制作小孔成像演示仪进行演示实验，让学生通过观察获得感性的认识，将会使学习事半功倍.
1用简易针孔照相机进行实验的不足
用易拉罐、塑料袋所制作的简易针孔照相机是简单的小孔成像演示仪，它以蜡烛作为光源.进行探究时，可以得到小孔成像的像是上下颠倒的实像，也可以得到只增大物距时像增大的现象.但是无法清晰说明所成像左右相反的特征，也不能对小孔成像的其他特性进行较全面的探究.并且在蜡烛燃烧的过程中，烛焰的大小也在变化，与控制变量法的思维相悖.为了解决这些问题，对小孔成像的实验演示仪进行改进.
2设计小孔成像演示仪时需要解决的问题
2.1光源
使用F型光源能较好地体现小孔成像所成的是上下颠倒左右相反的实像.自制F型光源（如图1所示）選用5mm的LED直插式白光小灯珠共计21枚，插在纸板上焊接而成.小灯珠的额定电压3.0～3.2V，可以使用两节1.5V的干电池作为电源，再用单刀双掷开关控制电路的通断，制作的电路（如图2所示）.断开开关S1闭合开关S2，F型光源较小（如图3所示）;闭合开关S1和S2，F型光源较大（如图4所示）.
2.2光屏
小孔成像是实像，实像是指能够在光屏上呈现的像.实验中使用半透明纸作为光屏，在纸上打上了5mm×5mm的方格，并将光屏制成盒状（如图5所示）.方格能更好地比较像的大小.
2.3暗室
由于小孔的孔径都较小，能够通过小孔的光较少，成像时亮度不高，在自然光照的条件下很难观察到清晰的像，因此需要制作暗室.实验中采用A4（210mm×297mm）黑色牛卡纸，制作了四个长方体盒子（如图6、7所示）.方形的盒子可以直接放在桌面上，方便实验的操作.纸盒a136mm×80mm×122mm，纸盒b136mm×80mm×122mm，纸盒c210mm×87mm×127mm，纸盒d205mm×79mm×120mm.从纸盒的规格可知，纸盒a、d和纸盒b、c分别都能套在一起.实验中将纸盒a、d套在一起，拉动纸盒a改变物距;将纸盒b、c套在一起，既可以将c当作暗室，又可以拉动纸盒c改变像距.
2.4小孔
小孔一：直径2mm的圆孔（如图8所示）用来研究小孔成像中像的特点.小孔二：边长35mm的等腰三角形（如图9所示），配合两个纸带（如图10所示：纸带a遮光纸带，纸带b不同形状的小孔）用来探究小孔成像与孔的大小和孔的形状的关系.
探究小孔成像与孔的大小的关系时，使用等边三角形小孔和纸带a（如图11所示），实验时将纸带慢慢向上移动，观察光屏上像的变化.图中有三对小磁铁，上方两对作为限位，防止纸带a移动得太靠上将小孔完全遮住，下方一对使小孔压在纸带上，使两者接触更加紧密.
探究小孔成像与孔的形状的关系时，使用等边三角形小孔和纸带b（如图12所示），实验时将纸带慢慢向左侧移动.为了保证在探究时有小孔并且只有一个小孔，在适当的位置做上标记.图中三对小磁体，其中两对在下方拖住纸带b，使纸带水平移动;另外一对压在纸带b和小孔上，使两者接触更加紧密.
3实验探究
观察小孔成像中像的特点，使用F型光源，圆形小孔，纸盒a、b，光屏，安装实验仪器（如图13所示），观察光屏成像（如图14所示）.
探究小孔成像与孔的大小的关系，使用F型光源，等边三角形小孔，纸盒a、b，纸带a，光屏，安装实验仪器.进行实验时向上移动纸带a的过程中，观察光屏上像的变化（如图15、16所示）.
探究小孔成像与孔的形状的关系时，使用F型光源，等边三角形小孔，纸盒a、b，纸带b，光屏，安装实验仪器.改变小孔的形状观察像的变化（如图17所示）.
探究像的大小与物体大小的关系，使用F型光源，圆形小孔，纸盒a、b，光屏，安装实验装置.断开开关S1（其它探究中都闭合S1和S2），观察光屏上的像（如图18所示），与图14比较.
探究像的大小与物距的关系时，使用F型光源，圆形小孔，纸盒a、b、d，光屏，安装实验装置.增大物距，观察光屏上的像（如图19、20所示）.
探究像的大小与像距的关系，使用F型光源，圆形小孔，纸盒a、b、c，光屏，安装实验装置.增大像距，观察光屏上的像（如图21、22所示）.
4实验后的思考与改进
4.1孔较大时为什么不是三角形光斑（如图15所示）
从图15可知，此时所成的不是一个三角形的光斑，而是重重叠叠的很多三角形，这是什么原因造成的呢？这个现象是不是就是小孔成像了呢？显然此时孔径与光源相比较大，不应该发生小孔成像.为了研究这个问题，特制作了两个光源（一个LED灯珠和两个LED灯珠）并用图13所示的实验装置进行了探究，成像如图23、24所示.可见，这是由于光的直线传播形成的.由于两个LED灯珠作为光源时发光部位有一定距离，所以在光屏上形成了两个与孔的形状相同的光斑.可见，图17是由于F型光源由多个LED小灯珠构成才出现的多个未能重合的三角形光斑.
4.2物距等于像距时为什么不是等大的实像
使用图13的实验装置时，由于物距等于像距应该可以得到等大的像.但是通过数F型光源和图14上的格子，发现光屏上并不是等大的像.这是由于纸板、牛卡纸都有厚度，自制教具不精密，因此无法呈现这一点.
5制作实验仪器过程中的收获
初中物理实验的仪器制作并不复杂，大部分用简单的工具就可以完成.但是想要实验仪器达到预期的效果，也需要良好的设计和制作.大部分的物理教师都具有这样的知识和能力.只不过，我们都满足于现成的实验仪器进行物理实验教学.然而真正动起手来制作实验仪器也沒有想象中困难.实验仪器的制作能培养物理教师的设计能力和制作水平.实验的操作中也会发生很多让人意料不到的现象，挖掘现象背后的物理内涵更有利于提高教师物理素养.
参考文献：
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（收稿日期：2019-06-04）
