【摘要】 小孔成像证明了光沿直线传播的特性，但学生在学习这一内容时感觉比较抽象，为此笔者制作了小孔成像演示仪，让元代赵友钦“小孔成像”的实验重现，本文围绕小孔成像演示仪的制作方法和在制作过程中如何突破制作瓶颈，以在实践教学中应用的效果等方面作必要的探究.

【关键词】自制教具  小孔成像  教学效果

光在均匀介质中是沿直线传播的，这一知识点是苏科版八年级《物理》第三章“光现象”的第三节“光的直线传播”的内容，用光沿直线传播的性质能够解释很多现象，如影子的形成、为什么“坐井观天，所见甚小”等.甚至科学家利用月食现象确定了夏、商、周三个王朝的确切年代.课本利用“生活·物理·社会”介绍小孔成像，并在“WWW”中介绍了小孔成像的制作.可见这部分内容对学生是多么的重要，笔者也想利用小孔成像实验把学生带入物理的殿堂.

一、什么是小孔成像

在两千多年前，著名学者墨翟和他的学生在《墨经》就有关于小孔成像的记载：“景到（倒），在午有端，与景长，说在端.” “景：光之人，煦（照）若射，下者之人也高，高者之人也下……”.还有沈括在《梦溪笔谈》中也有小孔成像的记载，甚至元代的赵友钦还用实验的方法得到有关小孔成像的一些性质.小孔成像这个实验能够很好的说明“光在均匀介质是沿直线传播的”基本特性，因为从物体发出的光经过小孔后，方向不发生改变，所以在光屏上会出现倒立的像，此为实像.

小孔成像现象在生活中也是常见的，如树荫下圆形光斑.人们还利用光的这种特性制作了早期的照相机，直至今日仍有部分摄影人在用小孔成像原理来完成作品的创作.例如：著名针孔摄影家史国瑞利用小孔完成《金山岭长城》和《珠穆朗玛峰》等巨幅针孔摄影作品的创作.

根据课本“WWW”的要求，教师会布置学生回家用易拉罐或者茶叶罐以及半透明薄膜等原料来制作小孔成像的演示仪.下图1为课本提供的小孔成像演示仪的样子.

图1  课本中提供                     图2  部分学生作品

同学们可能是受到书中影响，或者是动手能力不强等原因，大部分同学完成作品都如上图2所示的样子.其实这些作品是能够在薄膜成倒立的像，可以说明光在均匀介质是沿直线传播的.但是，笔者更想引领学生一起更进步研究小孔成像的性质，以激发学生学习热情，更想还原元代赵元钦关于小孔成像有关性质探究的实验，符合本节“了解我国古代在光现象研究上的成绩，知道中华文明对科学发展作出的贡献”的教学目标，很明显学生制作的“小孔成像”演示仪，无法达到笔者期望的目的，具体表现为无法完成以下探究：
  （1）小孔成像的大小与物距的关系；
  （2）小孔成像的大小与像距的关系；
  （3）小孔成像的情况与小孔形状的关系；
  （4）小孔成像的情况与小孔大小的关系.
那么如何才能完成以上的探究呢？只有对以上作品进行必要的改进.

二、小孔成像演示仪的制作

为了能够顺利探究以上各个问题，需要对小孔成像演示仪进行必要的改进，改进后的演示仪必须具备以下几点功能：
  （1）能够方便快捷的改变物距；
  （2）能够方便快捷的改变像距；
  （3）能够方便快捷的改变小孔形状，且能够尽量多的变换小孔的形状；
  （4）能够方便改变小孔的大小，且小孔的直径从小到大的数量要多.

因为演示仪要在班级作演示实验用，所以它还必须满足以下条件：
（5）实验现象必须明显直观，成像要清晰明了；
（6）小孔所成的像要比较大，必须能够让学生观察到，特别要让后排同学也能观察清楚到.

基于要解决以上众多问题，在制作时做了一些改进，具体过程如下：

（一）光具座的选择

在找寻制作材料时，受到了“探究凸透镜成像的规律”实验的启示，可以充分利用实验室现有光具座，因为光具座上的滑块可以很方便的左右滑动，可以方便快捷改变物距和像距，这样就可以很好解决功能（1）和功能（2）.

图3  光具座

这样利用现有的器材就大大减少制作成本，这也符合自制教具的原则.《教具的活用技术》（[日]大隅纪和著，刘济昌译）中一段关于自制教具的原则的论述“1、做大一些（Large scake）；2、使用信手可得材料（Easy available materials）”.

（二）转盘的制作

那么如何能够快捷有效改变小孔的大小和形状呢？即要满足功能（3）和功能（4）的部分功能.想到了摩托车或者自行车传动链条的牙盘，因为这种牙盘上有很多孔而且较大，这样便于放入大小和形状各异的小孔，再加上这种牙盘的中心有转轴可以方便的进行旋转，这样在快速选择小孔就方便许多，权衡大小后选择了摩托车上的牙盘，而且这种牙盘在摩托车修理店有很多报废了的，取材极为方便.这也符合《中学实验室管理与实验技术》一书要求“材料的廉价性”的要求。制作好的牙盘如下图4.

图4  牙盘                  图5  有各种各样小孔的小孔盘
这个牙盘能解决功能（3）和功能（4）的部分功能.

（三）小孔的制作

当选择好合适的牙盘后，还有一个重要的问题没有解决，就是小孔的大小和小孔的形状应该如何设计才更合理，才能满足的实验探究的需要，顺利的完成实验的探究呢？经过查阅相关资料，根据选择光具座的长度和光源的大小，笔者制作的小孔直径从1mm到1cm多个不等的小孔，并制作有半圆形的、三角形的、月牙形的、五角形的等形状不同的小孔.小孔就设计在厚度约2mm厚那种免费发放广告扇上，从大小厚度和软硬程度都符合制作要求，又是一个“零”成本的材料（如图5）.把此小孔盘贴在上述的牙盘上，通过旋转牙盘更换小孔，即快捷又方便.

（四）发光物体的制作

发光物体选择什么呢？笔者放弃了选择点燃的蜡烛，因为它不符合要求，笔者希望制作的发光体，应该符合以下点要求：

（1）发光体要有一定的亮度，这样成的像比较清晰，易于观察；
（2）发光体要稍微大点，让后排的同学也能清楚的观察到；
（3）发光体要能循环多次利用，节约环保；
（4）发光体必须安全稳定，以免发生意外；
（5）发光体经小孔成的像要易于观察，是正立的还是倒立的.

基于以上考虑，最终选择了新型光源LED灯，用多个LED灯珠制作了“F”型和“P”型发光体，字形大小在8cm左右.

为什么选择制作P型字母呢？因为P型可以进过翻转或旋转得到“ b、d 、q”等字型，灵活多变.而且平时练习时常常碰到这个字母成像分析.

选择是直流供电方式，主要有两方面考虑：
（1）这样更加方便移动和操作不受实验地点有无交流电限制；
（2）不会发生触电事故，这样更安全.
制作好的实物如下：

图6  光源P                     图7  光源F

（五）光屏的制作

学生那种简易的小孔成像装置用的是半透明薄膜作为光屏，但是成像效果不理想，主要是半透明薄膜易发生形变，那么所成的像也是发生扭曲的，成像不够直观遂之放弃.后在双面磨砂和单面磨砂玻璃之间选择，考虑到透光性最后还是选择了单面磨砂的玻璃，而且要用磨砂面去接收小孔成的倒立的像，实验效果很好.制作好的如下图8所示：

图8  光屏                        图9  镜筒

（六）镜筒的制作

为什么要制作镜筒呢？因为如果仅在光具座上依次按放LED发光板、小孔、光屏，那么在光屏上所成的像还是不够清晰，因为受到了外界强光的干扰，除非在避光条件好暗室进行，普通的教室是无法满足的.这显然不符合作为教学用的演示教具的特点，所以镜筒就显得非常必要了.选择制作镜筒材料时考虑了个三因素：

（1）直径要较大，便于学生观察；
（2）要有一定的强度，这样操作时不易变形；
（3）要很好的避光性即不透.

基于以上考虑有两种材料进入备选范围是用白铁皮加工的圆桶和直径较大PVC管.考虑取材的方便和经济实用方面，最终选择了PVC管，并把它油漆成黑色，如上图9所示.

（七）细节的处理

要想制作符合要求的小孔成像演示仪，达到重现赵元钦小孔成像实验的目的，并且，为了使实验的效果更明显在细节作了一些处理：

（1）把磨沙玻璃安装在直径为16cm的PVC的“直接”内作为光屏，并在光屏的底部装好轮子，便于前后移动.
   （2）在镜筒涂成黑色利于消光，并在镜筒内贴上消光植绒，减少光的反射而影响成像效果.
   （3）用抱箍固定镜筒，方便左右移动.

（八）制作完成及成像效果

制作这套小孔成像演示议，用到到几十个小的零件，但是组装好以后成像效果非常好，完全能够达到预期有效果，再现了赵元钦的小孔成像实验.下图为装置好的效果（图10）和成像效果（图11）.

图10  组装                           图11  成像效果

三、小孔成像演示仪的教学效果

此演示仪在学习光的直线传播时教学效果显著，完全可以探究小孔成像的大小、明暗与物距、像距以及孔的大小、形状之间的关系，完全能够证明光沿直线传播的特性.学生在用此演示仪探究问题时表现了极大参与热情，感受了我国科学家在光学领域取得的伟大成就，受到了极大的鼓舞，激发了同学们学好科学、用好科学的热情.

此小孔成像演示仪实际效果得到了领导和同行的一致认可，参加自制教具比赛获得了无锡市一等奖并获得江苏省二等奖的好成绩，更可贵的是被其它兄弟学校的教师借去参加全市级教学公开课、教学竞赛等活动，演示的效果同样得到参加活动的老师、评委以及同学的称赞.

【参考文献】

1、刘炳昇.中学理科实验教学指导——初中物理分册. 江苏科学技术出版社,2012.8

2、刘炳昇 李容.物理（八年级上册）.江苏科学技术出版社2013年1月第1版

3、江苏省教育装备与勤工俭学管理中心.中学实验室管理与实验技术.南京师范大学出版社，2007.7

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