《小孔成像實(shí)驗(yàn)》的改進(jìn)與創(chuàng)新

1、小孔成像實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新一、小孔成像實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新的背景在教學(xué)過程中每當(dāng)給學(xué)生演示或讓學(xué)生自己完成小孔成像實(shí)驗(yàn)的效果都不好，白天上課時演示效果不好，而且有的角度無法觀察到現(xiàn)象，要求學(xué)生自己完成時，很少有人能動手制作器材。導(dǎo)致很多學(xué)生對小孔成像的特點(diǎn)模糊不清，比如像有放大的也有縮小的、像的形狀與孔的形狀無關(guān)等。為此，我利用晚自習(xí)的時間，教學(xué)生在紙上扎幾個大小不一、形狀不一的小孔（孔徑大約2mm），在教室的墻面上成像，觀察小孔成像的特點(diǎn)，效果很好。我而小孔成像的探究問題遠(yuǎn)不止像的大小、倒正、虛實(shí)、與孔形的關(guān)系，還有很多探究問題，如：對孔徑的要求（是不是只有孔徑1到3mm的才能成像？）、像的清晰度

2、、亮度等。為補(bǔ)充這些探究問題，結(jié)合中學(xué)生的知識層面，我做了一些改進(jìn)和創(chuàng)新。教材中“小孔成像實(shí)驗(yàn)”的不足：（1）實(shí)驗(yàn)器材需要去蓋的易拉罐盒和半透明薄膜，制作過程雖然簡單，但易拉罐硬度大，去蓋、扎孔比較麻煩。（2）半透明薄膜只有易拉罐蓋那么大，無論兩人配合還是一人操作都難以將蠟焰、小孔、光屏的中心調(diào)整到同一直線上，因此找到像很不容易。（3）像距的固定、光屏大小的限制影響了觀察像的大小的變化規(guī)律，導(dǎo)致學(xué)生對小孔成的像的特點(diǎn)理解不到位，實(shí)驗(yàn)后很多學(xué)生只知道小孔所成像為倒立的實(shí)像，不知道像的大小變化規(guī)律，有的甚至誤認(rèn)為小孔成的像都是縮小的。（4）小孔成像的形狀與孔的形狀無關(guān)不能驗(yàn)證。改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

3、：（1）借助白墻面做光屏，用不透明的紙板扎孔做小孔屏（如課本的封皮等），器材更簡單、更方便。對于學(xué)生而言，比起易拉罐蓋，紙張更容易做各種大小和形狀不同的小孔，實(shí)驗(yàn)中可以觀察到像的形狀與孔的形狀無關(guān)。（2）用墻面替代半透明薄膜，成像效果不但明顯，最主要的是面積大，不存在調(diào)節(jié)高度的問題，只要距離調(diào)節(jié)好就能看到像。（3）物距、像距都可以改變，學(xué)生能直接觀察到像的大小是可以改變的，并且不是單一的縮小或放大，而是隨物距和像距的改變而改變。（4）不受地點(diǎn)和器材的限制，學(xué)生可走出教室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)興趣。二、簡要闡述改進(jìn)和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)（說明：由于蠟光等因素的影響，錄像和照片效果比真實(shí)情況差）利用光具座探究小

4、孔成像的規(guī)律利用墻面做光屏觀察小孔成像的特點(diǎn)部分實(shí)驗(yàn)器材：大小和形狀不同的小孔 大孔 光具座實(shí)驗(yàn)一：利用墻面做光屏探究小孔成像的特點(diǎn)過程：利用墻面做光屏，在紙上扎大小、形狀不同的孔，在暗室或晚上點(diǎn)燃蠟燭，改變物距、像距，觀察像的特點(diǎn)?，F(xiàn)象：倒立的實(shí)像，大小隨物距、像距改變像的大小、形狀一樣，亮度不一樣結(jié)論：1、小孔成倒立的實(shí)像；2、像有放大的也有縮小的，大小與物距、像距有關(guān)，與孔的大小無關(guān)。當(dāng)物距一定時，像距越大像越大；當(dāng)像距一定時，物距越小像越大；3、像的形狀與孔的形狀無關(guān)，決定于物體的形狀。優(yōu)點(diǎn)：是器材簡單，不受實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的限制，學(xué)生可以在家隨時完成。而且效果很明顯，像距大小可以變化，能明顯

5、觀察到大小變化的像，像的形狀和孔形無關(guān)。實(shí)驗(yàn)二：利用蠟燭、日光燈、窗戶、太陽做成像物體探究小孔成像的特點(diǎn)過程：在紙上扎大小不同的孔，控制好條件，分別成蠟燭、日光燈、窗戶、太陽的像，觀察像的特點(diǎn)，找不同情況下對孔徑的要求、像的亮度、清晰度的影響因素?，F(xiàn)象：桌面上分別觀察形狀、大?。ㄖ搁L度）一樣的日光燈的像，孔越大越亮，孔太小觀察不到像的原因是亮度太低。 像的大小、形狀一樣；孔大的亮 觀察到7個窗戶的像 度高，清晰度低；孔徑大的對像 距要求大。結(jié)論：1、像的形狀決定于物體的形狀，與孔的形狀無關(guān)；2、像的亮度與周圍光線、孔的大小、物體本身的亮度有關(guān)，在其他條件相同時，周圍光線越暗、孔越大、來自物體光

6、線越強(qiáng)，亮度越高；反之亮度越暗。3、像的清晰度與孔的大小、物距、像距有關(guān)，在其他條件相同時，孔徑越小、物距越小、像距越大時，像的清晰度越高；反之清晰度越低。4、孔的大小不一定，對不同的物體有不同的要求，一般規(guī)律是小物體、弱光源，應(yīng)該在小距離范圍內(nèi)用孔徑小的孔才能成像，比如蠟燭在10cm左右范圍用23mm孔徑效果好。優(yōu)點(diǎn)：生活中有很多小孔成像的實(shí)例，提高學(xué)生的興趣。此實(shí)驗(yàn)物體尺寸從小到大，不但能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一的結(jié)論，而且能得到像的亮度、清晰度、對孔徑大小要求的一般規(guī)律，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)一的不足。實(shí)驗(yàn)三：利用光具座探究小孔成像的規(guī)律過程：在暗室內(nèi)將蠟燭、小孔屏、光屏依次固定在光具座上點(diǎn)燃蠟燭，改變物距、像距，

7、觀察像的特點(diǎn)。比較像放大、等大、縮小時的物距和像距的大小。并觀察孔形對像的形狀是否影響?，F(xiàn)象：物距大于像距，像縮小 物距等于像距，像等大物距小于像距，像放大 觀察到7個形狀、大小一樣的像結(jié)論：1、小孔成倒立的實(shí)像；2、物距大于像距時，成縮小的像；物距等于像距時，成等大的像；物距小于像距時，成放大的像。3、像的形狀、大小與孔的形狀、大小無關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：利用“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后做小孔實(shí)驗(yàn)，器材固定，能夠測量物距、像距，得出像的放大、縮小與物距像距的關(guān)系。三、改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的分析、具體步驟、理論分析【理論依據(jù)】光在同種均用的介質(zhì)中沿直線傳播【光路圖】實(shí)驗(yàn)一：利用墻面做光屏探究小孔成像的特點(diǎn)

8、【實(shí)驗(yàn)名稱】利用墻面做光屏探究小孔成像的特點(diǎn)【準(zhǔn)備工作】小孔屏的制作：準(zhǔn)備兩個不透光的白色紙板，如課本的封皮等，其中一個紙板上打一個孔徑為2mm的圓孔（后面敘述中稱為“1號小孔屏”），另一個紙板上打孔徑分別為小于1mm、等于1 mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm的圓孔，孔徑為3mm的正方孔和三角孔（后面敘述中稱為“2號小孔屏”）。1號小孔屏2號小孔屏【實(shí)驗(yàn)器材】蠟燭、小孔屏、光屏（白墻面或白紙均可）、打火機(jī)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、觀察小孔成像的特點(diǎn)，包括正倒、虛實(shí)、大小變化規(guī)律。2、像的形狀與孔的形狀之間的關(guān)系。【實(shí)驗(yàn)過程】1、在暗室中點(diǎn)燃蠟燭，把1、2號小孔屏放在蠟燭和墻面的中間，調(diào)節(jié)距離

9、可觀察一個清晰、倒立的蠟焰的像。2、保持孔屏與墻面的距離（即像距）不變紙，改變蠟燭與孔屏的距離（即物距）；保持蠟燭和孔屏之間的距離（即物距）不變，同時改變蠟燭和小孔屏到墻面的距離（即像距），觀察像的大小變化規(guī)律。觀察到像的大小可以改變，有時放大有時縮小，與物距、像距有關(guān)，物距一定時，像距越大像越大，像距一定是時，物距越小像越大。3、換用2號孔屏并調(diào)節(jié)距離，當(dāng)物距大約為5cm、像距大約為5cm時，在墻面上看到8個清晰度、亮度不一樣的蠟焰的像，像的大小都一樣，只是亮度不一樣，孔太大或太小都不能成像。其中孔徑3mm的圓孔、方孔、三角孔所成的像的形狀一樣。倒立的實(shí)像 像的大小、形狀一樣，亮度不一樣【實(shí)

10、驗(yàn)結(jié)論】1、小孔成倒立的實(shí)像；2、像有放大的也有縮小的，大小與物距、像距有關(guān)，與孔的大小無關(guān)。當(dāng)物距一定時，像距越大像越大；當(dāng)像距一定時，物距越小像越大；3、像的形狀與孔的形狀無關(guān)，決定于物體的形狀?！颈緦?shí)驗(yàn)反思】1、注意事項(xiàng)：本實(shí)驗(yàn)中小孔屏要選擇透光度低的紙板，在光線暗的環(huán)境中進(jìn)行效果明顯。2、存在的不足：用蠟燭做成像物體光線暗、不穩(wěn)定，像物大小無法定量測量，實(shí)驗(yàn)器材沒有固定，無法定量測出物距和像距，不能進(jìn)一步找出像的大小與物距、像距的具體關(guān)系。3、發(fā)現(xiàn)的新問題：改變物距或像距時，不但發(fā)現(xiàn)了像的大小在改變，同時發(fā)現(xiàn)像的亮度、清晰度也在改變，孔的大小不一樣，像的亮度、清晰度也不一樣，而對孔的大

11、小也沒有明確的分界點(diǎn)?？讖綖?mm和3mm的最容易調(diào)節(jié)出像，當(dāng)孔徑為2mm和3mm的小孔能成像時，孔徑小于1mm的不能成像，但把物距、像距調(diào)節(jié)的很小時（大約都為5mm），孔徑小于1mm的能成像，而其他小孔則在墻面上呈現(xiàn)了與之形狀相同的亮斑點(diǎn)。當(dāng)物距、像距增大后，距離調(diào)節(jié)到一定程度，大孔能成像時小孔不能成像。4、由本實(shí)驗(yàn)后提出的新的探究問題：（1）像的大小與物距像距有什么定量關(guān)系？（2）像的清晰度、亮度與什么因素有關(guān)？（3）對孔的大小有怎樣的要求?針對以上實(shí)驗(yàn)的不足和提出的新問題我設(shè)計(jì)了兩個實(shí)驗(yàn)，可以彌補(bǔ)不足、解決新的探究問題、證實(shí)已有的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)二：利用蠟燭、日光燈、窗戶、太陽做成像物體探究小

12、孔成像的特點(diǎn)【實(shí)驗(yàn)名稱】探究小孔成像的特點(diǎn)【準(zhǔn)備工作】1、2號小孔屏的制作同上。在一張紙上剪出孔徑為10mm、30mm、50mm的圓孔為3號小孔屏，在另一張紙上剪出孔徑10mm、30mm、50mm的正方形孔為4號小孔屏。 3號小孔屏 4號小孔屏【實(shí)驗(yàn)器材】蠟燭、小孔屏、光屏（白墻面、白紙、桌面）、打火機(jī)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、像的形狀與什么因素有關(guān)？2、像的亮度、清晰度與什么因素有關(guān)？3、對孔徑的大小有什么要求？【實(shí)驗(yàn)過程】1、用蠟燭做成像物體，墻面做光屏。（1）在暗室中點(diǎn)燃蠟燭，把1號小孔屏放在蠟燭和墻面的中間，調(diào)節(jié)距離可觀察一個清晰、倒立的蠟焰的像。改變物距和像距，觀察像的亮度、清晰度的變化情況，

13、發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，物距一定時（5cm），像距越大，像越暗、越清晰，當(dāng)像距大于30cm時，墻面上看不到像。當(dāng)像距一定時（5cm），物距越大，像越暗、越清晰，當(dāng)物距大于100cm時，墻面上看不到像。（2）保持其他條件不變，開、關(guān)室內(nèi)電燈（或拉開、拉合窗簾），觀察像的亮度變化，發(fā)現(xiàn)周圍光線越暗，像的亮度越大，越清楚。（3）換用2號孔屏。發(fā)現(xiàn)當(dāng)像距小到2mm左右時，孔徑小于1mm的也能成像。不斷調(diào)整距離，找孔徑等于1mm到等于6mm能成像的范圍（指像距），實(shí)驗(yàn)證明對蠟燭而言，以上孔徑各自能成像的范圍不一樣，在蠟燭距墻20cm時，孔徑等于1mm的若能成像，像距需大于越0.5cm,孔徑等于6mm的若能成像

14、，像距需大于越15cm。由此可見，在同種條件下若能成像，孔徑越大要求像距越大。同時觀察到孔越大，像越亮，清晰度越低；像的大小一樣，與孔的大小無關(guān)；像的形狀與孔的形狀無關(guān)。物距一定，像距大的亮度低，清晰度高像的大小、形狀一樣；孔大的亮度高，清晰度低；孔徑大的對像距要求大。2、用日光燈做成像物體，桌面做光屏。在暗室中打開一個日光燈，依次使用1、2、3號孔屏，在桌面上可以觀察到日光的像。不斷調(diào)節(jié)小孔屏幕在桌面和燈之間的位置，找不同孔徑能成像的范圍。發(fā)現(xiàn)在桌面和燈之間，孔徑小于1mm的小孔在離桌面約1mm時可以成像，孔徑為50mm的大孔離桌面約20mm時可以成像。初步得出小孔徑能觀察到的條件是像距要足

15、夠小，像的亮度才能足夠大，大孔徑能成像的條件是像距要足夠大。同時觀察到在其他條件相同時，孔越大，像越亮，清晰度越低；像的大小（指日光燈像的長度）一樣，與孔的大小無關(guān)；像的形狀與孔的形狀無關(guān)。打開其他日光燈（或打開其他窗簾），觀察到像的亮度降低。桌面上分別觀察形狀、大?。ㄖ搁L度）一樣的日光燈的像，孔越大越亮，孔太小觀察不到像的原因是亮度太低。3、用窗戶做成像物體，墻面做光屏。在暗室中只打開一扇窗簾，依次使用1、2、3號孔屏，不斷調(diào)節(jié)小孔屏與墻面的距離，找不同孔徑能成像的范圍。發(fā)現(xiàn)1號孔屏距墻約2cm時能看到窗戶的像，2號小孔屏距墻約3cm時觀察到7個清晰不一樣的窗戶的像?？自酱螅裨搅?，清晰度越

16、低；像的大小一樣，與孔的大小無關(guān)；像的形狀與孔的形狀無關(guān)。3號小孔屏當(dāng)距離墻面小于10cm時，墻上出現(xiàn)與孔形相同的亮斑，增大與墻面間的距離能看到窗戶模糊的像，但再增大距離時像消失，分析原因是窗戶做為成像物體光太弱。初步得出在其他條件相同時，孔越小越容易成像，大孔徑能成像的條件是像距要足夠大，并且光源要足夠強(qiáng)。打開其他日光燈（或打開其他窗簾），觀察到像的亮度降低。墻面上觀察到7個窗戶的像4、用太陽做成像物體，地面做光屏。在陽光下依次使用2、4號孔屏正對太陽（因?yàn)樘柋旧硎菆A形，所以只使用2、4號孔屏），不斷調(diào)節(jié)孔屏與地面的距離，找不同孔徑能成像的范圍。發(fā)現(xiàn)每個大小的孔都能成像，只是對像距要求不同

17、，孔越大像距越大，當(dāng)距離太大時看不到像，分析原因是像距太大時也有像，只是周圍光線強(qiáng)影響了像的亮度?！緦?shí)驗(yàn)分析及結(jié)論】以上4個實(shí)驗(yàn)分別用蠟燭、日光燈、窗戶、太陽做為成像物體，尺寸從小到大；小孔的孔徑依次為16mm、10mm、30mm、50mm，形狀有圓形、正方形、三角形；承接實(shí)像的屏分別用墻面、桌面、地面。無論用哪個物體做為成像物體，用哪種形狀的小孔，像的形狀都和物體一樣。用蠟燭做實(shí)驗(yàn)時，距離（物距和像距之和）超過100cm左右就看不到像了，用日光燈做實(shí)驗(yàn)時距離是燈和桌面，用窗戶時距離是教室的寬度，用太陽時距離很大（太陽與地球的距離），各自能成像的條件不一樣，對物體本身的亮度、孔的大小、物距、像

18、距、周圍的光線強(qiáng)弱都有一定的要求，只要以上因素同時滿足一定的條件就能成像，對孔的大小并沒有單一、明確的要求。也就是說只要來自物體的光足夠強(qiáng)，無論孔徑有多大，其他因素只要滿足一定的條件就能成像。但能反應(yīng)出能否成像與孔的大小的一般規(guī)律：小物體、弱光源，應(yīng)該在小距離范圍內(nèi)用孔徑小的孔才能成像，如蠟燭在10cm左右范圍用23mm孔徑效果好；大物體、強(qiáng)光源，可在距離大、孔徑大的情況下成像，如使用10mm孔徑時，蠟燭不能成像，而日光燈能成像。孔徑不能太小，如果與光的波長接近時，就會發(fā)生衍射。綜合分析得出以下結(jié)論：1、像的形狀決定于物體的形狀，與孔的形狀無關(guān)；2、像的亮度與周圍光線、孔的大小、物體本身的亮度

19、有關(guān)，在其他條件相同時，周圍光線越暗、孔越大、來自物體光線越強(qiáng)，亮度越高；反之亮度越暗。3、像的清晰度與孔的大小、物距、像距有關(guān)，在其他條件相同時，孔徑越小、物距越小、像距越大時，像的清晰度越高；反之清晰度越低。4、孔的大小不一定，對不同的物體有不同的要求，一般規(guī)律是小物體、弱光源，應(yīng)該在小距離范圍內(nèi)用孔徑小的孔才能成像，比如蠟燭在10cm左右范圍用23mm孔徑效果好。【理論分析】1、孔徑越大像越亮，是因?yàn)榇┻^孔到達(dá)光屏的光越多，小孔徑觀察不到像是因?yàn)榇┻^的光線太少導(dǎo)致亮度不夠，孔徑太小時會發(fā)生衍射。2、孔徑越大、物距越大、像距越小，像的分辨率越低，是因?yàn)榭讖皆酱?，或物距越大，或像距越小時，來自物體同一點(diǎn)的光穿過小孔到達(dá)光屏后，重復(fù)的越多，所以像越模糊?！颈緦?shí)驗(yàn)反思】1、以上實(shí)驗(yàn)和探究題目符合