小孔成像实验改进与创新
摘 要：利用身边简易的材料自制实验仪器，对小孔成像实验进行改进和创新，以增强实验的精确性、可性和可操作性，使学生在教室光线较强的情况下也能清楚地观察小孔成像的特点，加深学生对小孔成像特点的理解，同时提高教师和学生的实验设计与创新能力。利用生活中的简易器材自制教具辅助实验教学，体现“小实验，大道理“的实验思想，发挥小实验的“物理营养”，最大限度地挖掘资源的实验功能和教育教学价值。
关键词：小孔成像；改进与创新；自制实验教具
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）5-0005-3
小孔成像是光在同种均匀介质中沿直线传播的一个实例，比如太阳透过树荫在地上形成的一个个小光斑，这是大家熟知的现象。其实，中国古代科学家对小孔成像现象进行过比较深入的研究，如战国时期墨子（前478―前392）的《墨经》一书中记载了我国古代用针孔成像的光学实验（见图1），墨子提出小孔成像的光学原理，并给予了准确的解释。[1]
小孔成像实验是初中物理光学实验之一，不同版本教材对小孔成像实验的制作方法比较类似，一般都是采用易拉罐和半透明纸制作完成（见图2）。有部分教师也引导学生用纸杯制作简易的小孔成像仪器，在纸杯底部打上小孔，然后再在纸杯口用橡皮筋固定半透明纸。但这些实验器材的实验效果很不明显，实验研究的结果比较单一，不能让学生对小孔成像的特点有真正的认识。针对这种现象，笔者利用硬纸盒做一个简单的教具，克服了以往实验中实验室强光对小孔成像效果的影响，即便在开灯的情况下也能清晰地观察小孔成像的特征，而且还可以通过改变小孔的形状，进一步探究小孔成像是否与孔的形状有关。下面笔者将详细地介绍利用自制仪器观察小孔成像的过程。
1 制作教具
（1）准备材料
4个长×宽×高为40 cm×25 cm×30 cm的硬纸盒，“F”字光源，半透明纸1张，黑色胶带，透明塑料宽胶带，泡沫厚双面胶，6块纽扣磁铁。
（2）制作硬纸箱
将3个长×宽×高为40 cm×25 cm×30 cm的硬纸盒两端底部打开，相互套在一起，并用透明塑料宽胶带在硬纸盒交界处缠绕并固定好，这样就组装成1个长×宽×高为70 cm×25 cm×30 cm的长方体纸箱。然后，再在另一个硬纸盒上用裁纸刀裁取一块长×宽为31 cm×32 cm的硬纸板（宽度超出硬纸箱宽度2 cm是为了挡住外界光线对成像效果的影响），在硬纸板两端3 cm处进行弯折（见图3），用泡沫厚双面胶将硬纸板的左侧固定在硬纸箱上，然后在硬纸板右侧里面塞进3块纽扣磁铁，同时在硬纸箱对应位置装上3块纽扣磁铁，这样就制成一个带“门”且能自如闭合的硬纸箱。最后，用双面胶把“F”字光源固定在“门”的中央位置（见图4）。实验时将“门”关上，减少外界强光的影响。
接着，用裁纸刀裁取1块长×宽为23.5 cm×28.5 cm的硬纸板，然后在硬纸板中央挖出1个长×宽为17 cm×21 cm的长方形孔，再用泡沫厚双面胶将半透明纸固定在长方形孔四周，便制成一个简易的光屏，用来承接小孔所成的像。
（3）确定小孔的位置
用裁纸刀裁取1块长×宽为23.5 cm×28.5 cm的硬纸板，用铁钉在其中央位置扎一个小孔，放到长方体硬纸箱内，然后将做好的光屏放置在离硬纸箱口20 cm处（减少外界强光的影响，便于观察光屏上成的像）。这时打开“F”字光源，来回移动硬纸板，找到成像最清晰的位置，用铅笔在纸箱内做好标记，以确定出成像的位置。将硬纸板取出，在硬纸板中央挖去1个长×宽为8 cm×8 cm的方孔，然后用黑色胶带将硬纸板固定在刚刚标记的位置。小孔成像仪器结构如图5所示。
（4）制作不同小孔的硬纸插板
制作5块长×宽为16 cm×32 cm的硬纸插板，并用铁钉在上面分别扎上不同形状的小孔，且小孔在硬纸板的中央位置，使所成的像在光屏的中央位置，平面图如图6所示。
2 演示小孔成像实验
将“F”字光源打开，会有部分光源穿过硬纸板的正方形孔，射向光屏。用带有“■”小孔的硬纸插板插入硬纸板插口，在光屏上可以观察到“F”字光源的像（见图7），让学生观察小孔成像的特点并记录；再分别用带有“■”“■”小孔的硬纸插板插入硬纸板插口，观察实验现象并记录（实验观察到的图像分别如图8和图9所示）；再分别用带有“■ ”“■ ”小孔的硬纸插板插入硬纸板插口，观察实验现象并记录（实验观察到的图像分别如图10和图11所示）。
3 实验现象分析
比较图7、图8和图9中“F”字经小孔所成的像可得到，小孔成的“F”字像都是倒立的实像，且成像的形状与孔的形状无关，但是组成“F”字像的光点与孔的形状有关（每个“F”字像都是不同光点组成）。可以这样解释，可以把“F”字光源上每一个LED灯看成一个小发光点，每个发光点向小孔发射光，通过小孔的每一束光都会在光屏上形成一个对应孔形状的光斑，所以“F”字像是由穿过不同孔形状的光斑组成。这也说明光是沿直线传播的。[2]
若采用图6中第四个硬纸插板演示小孔成像实验，就会得到图10所示的4个“F”字像，因为“F”字光源上每一个LED灯看成一个小发光点，每个发光点同时向4个小孔发射光，穿过小孔的每一束光都会在光屏上形成一个对应形状的光斑，所以会看到4个倒立的“F”字像。
若采用图6中第五个硬纸插板演示小孔成像实验，“F”字光源上每一个LED灯同时向多个小孔发射光，通过每一个小孔形成的“F”字光斑在光屏上相互叠加，光屏上的像自然就不清晰了，就会形成如图11所示的“F”字像。
这里补充说明一下，小孔成像的清晰度与孔的大小有关，当然孔的大小是相对于发光体本身大小而言的。当孔比较小的时候，发光体的不同部分发出的光线到达光屏的不同位置，而不会在光屏上发生相互重叠现象，在光屏上成的像就比较清晰；反之，若小孔比较大，发光体的不同部分发出的光在光屏上发生重叠现象，光屏上的像自然就没那么清晰了；若孔相当大，发光体不同部分发出的光大多数会到达光屏上相同的位置而发生相互重叠现象，导致光信息发生混乱，也就无法成像了。
4 自制教具改进特点
（1）通常小孔成像实验需要在光线较暗的环境里进行，且成像效果还不显著，而本实验教具克服了光学实验所面临的环境问题，即便在明亮的教室或开灯环境里也能清晰地观察到小孔成像的特点。
（2）通过改进实验教具不但可以清晰地探究到小孔所成的像是倒立的实像，而且还可以探究小孔所成的像与小孔形状无关，甚至可以研究多孔成像的特点。
（3）实验装置器材成本低廉，取材于生活，简单易得，便于组装，体现了物理源于生活、回归生活的本质。
（4）利用低成本实验改进实验方案，增强实验的精确性、可见性和可操作性，充分体现了“小实验，大道理”的实验思想。教学中可引导、鼓励学生自己动手制作，达到寓教于乐的教学目的，以此提高学生的实验设计能力和创新能力。
参考文献：
[1]北京教育科学研究院.八年级物理全一册[M].北京：北京师范大学出版社，2013：211.
[2]束为，殷皓.体验科学[M].北京：科学普及出版社，2016：27.
（栏目编辑 赵保钢）