《小孔成像实验》的改进与创新剖析

《小孔成像实验》的改进与创新

一、《小孔成像实验》的改进与创新的背景

在教学过程中每当给学生演示或让学生自己完成小孔成像实验的效果都不好，白天上课时演示效果不好，而且有的角度无法观察到现象，要求学生自己完成时，很少有人能动手制作器材。导致很多学生对小孔成像的特点模糊不清，比如像有放大的也有缩小的、像的形状与孔的形状无关等。为此，我利用晚自习的时间，教学生在纸上扎几个大小不一、形状不一的小孔（孔径大约2mm），在教室的墙面上成像，观察小孔成像的特点，效果很好。我而小孔成像的探究问题远不止像的大小、倒正、虚实、与孔形的关系，还有很多探究问题，如：对孔径的要求（是不是只有孔径1到3mm的才能成像？）、像的清晰度、亮度等。为补充这些探究问题，结合中学生的知识层面，我做了一些改进和创新。

教材中“小孔成像实验”的不足：

（1）实验器材需要去盖的易拉罐盒和半透明薄膜，制作过程虽然简单，但易拉罐硬度大，去盖、扎孔比较麻烦。

（2）半透明薄膜只有易拉罐盖那么大，无论两人配合还是一人操作都难以将蜡焰、小孔、光屏的中心调整到同一直线上，因此找到像很不容易。

（3）像距的固定、光屏大小的限制影响了观察像的大小的变化规律，导致学生对小孔成的像的特点理解不到位，实验后很多学生只知道小孔所成像为倒立的实像，不知道像的大小变化规律，有的甚至误认为小孔成的像都是缩小的。

（4）小孔成像的形状与孔的形状无关不能验证。

改进和创新实验的优点：

（1）借助白墙面做光屏，用不透明的纸板扎孔做小孔屏（如课本的封皮等），器材更简单、更方便。对于学生而言，比起易拉罐盖，纸张更容易做各种大小和形状不同的小孔，实验中可以观察到像的形状与孔的形状无关。

（2）用墙面替代半透明薄膜，成像效果不但明显，最主要的是面积大，不存在调节高度的问题，只要距离调节好就能看到像。

（3）物距、像距都可以改变，学生能直接观察到像的大小是可以改变的，并且不是单一的缩小或放大，而是随物距和像距的改变而改变。

（4）不受地点和器材的限制，学生可走出教室进行实验，提高学习兴趣。

二、简要阐述改进和创新的实验

（说明：由于蜡光等因素的影响，录像和照片效果比真实情况差）

利用光具座探究小孔成像的规律

利用墙面做光屏观察小孔成像的特点

部分实验器材：

大小和形状不同的小孔大孔光具座

实验一：利用墙面做光屏探究小孔成像的特点

过程：利用墙面做光屏，在纸上扎大小、形状不同的孔，在暗室或晚上点燃蜡烛，改变物距、像距，观察像的特点。

现象：

倒立的实像，大小随物距、像距改变像的大小、形状一样，亮度不一样

结论：

1、小孔成倒立的实像；

2、像有放大的也有缩小的，大小与物距、像距有关，与孔的大小无关。当物距一定时，像距越大像越大；当像距一定时，物距越小像越大；

3、像的形状与孔的形状无关，决定于物体的形状。

优点：是器材简单，不受实验地点的限制，学生可以在家随时完成。而且效果很明显，像距大小可以变化，能明显观察到大小变化的像，像的形状和孔形无关。

实验二：利用蜡烛、日光灯、窗户、太阳做成像物体探究小孔成像的特点

过程：在纸上扎大小不同的孔，控制好条件，分别成蜡烛、日光灯、窗户、太阳的像，观察像的特点，找不同情况下对孔径的要求、像的亮度、清晰度的影响因素。

现象：

桌面上分别观察形状、大小（指长度）一样的日光灯的像，孔越大越亮，孔太小观察不到像的原因是亮度太低。

像的大小、形状一样；孔大的亮观察到7个窗户的像

度高，清晰度低；孔径大的对像

距要求大。

结论：

1、像的形状决定于物体的形状，与孔的形状无关；

2、像的亮度与周围光线、孔的大小、物体本身的亮度有关，在其他条件相同时，周围光线越暗、孔越大、来自物体光线越强，亮度越高；反之亮度越暗。

3、像的清晰度与孔的大小、物距、像距有关，在其他条件相同时，孔径越小、物距越小、像距越大时，像的清晰度越高；反之清晰度越低。

4、孔的大小不一定，对不同的物体有不同的要求，一般规律是小物体、弱光源，应该在小距离范围内用孔径小的孔才能成像，比如蜡烛在10cm左右范围用2—3mm孔径效果好。

优点：生活中有很多小孔成像的实例，提高学生的兴趣。此实验物体尺寸从小到大，不但能验证实验一的结论，而且能得到像的亮度、清晰度、对孔径大小要求的一般规律，补充实验一的不足。

实验三：利用光具座探究小孔成像的规律

过程：在暗室内将蜡烛、小孔屏、光屏依次固定在光具座上点燃蜡烛，改变物距、像距，观察像的特点。比较像放大、等大、缩小时的物距和像距的大小。并观察孔形对像的形状是否影响。

现象：

物距大于像距，像缩小物距等于像距，像等大

物距小于像距，像放大观察到7个形状、大小一样的像

结论：

1、小孔成倒立的实像；

2、物距大于像距时，成缩小的像；物距等于像距时，成等大的像；物距小于像距时，成放大的像。

3、像的形状、大小与孔的形状、大小无关。

优点：利用“探究凸透镜成像规律”的实验改进后做小孔实验，器材固定，能够测量物距、像距，得出像的放大、缩小与物距像距的关系。

三、改进和创新实验的分析、具体步骤、理论分析

【理论依据】光在同种均用的介质中沿直线传播

【光路图】

实验一：利用墙面做光屏探究小孔成像的特点

【实验名称】利用墙面做光屏探究小孔成像的特点

【准备工作】小孔屏的制作：准备两个不透光的白色纸板，如课本的封皮等，其中一个纸板上打一个孔径为2mm的圆孔（后面叙述中称为“1号小孔屏”），另一个纸板上打孔径分别为小于1mm、等于1 mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm的圆孔，孔径为3mm的正方孔和三角孔（后面叙述中称为“2号小孔屏”）。

1号小孔屏 2号小孔屏

【实验器材】蜡烛、小孔屏、光屏（白墙面或白纸均可）、打火机

【实验目的】

1、观察小孔成像的特点，包括正倒、虚实、大小变化规律。

2、像的形状与孔的形状之间的关系。

【实验过程】

1、在暗室中点燃蜡烛，把1、2号小孔屏放在蜡烛和墙面的中间，调节距离可观察一个清晰、倒立的蜡焰的像。

2、保持孔屏与墙面的距离（即像距）不变纸，改变蜡烛与孔屏的距离（即物距）；保持蜡烛和孔屏之间的距离（即物距）不变，同时改变蜡烛和小孔屏到墙面的距离（即像距），观察像的大小变化规律。观察到像的大小可以改变，有时放大有时缩小，与物距、像距有关，物距一定时，像距越大像越大，像距一定是时，物距越小像越大。

3、换用2号孔屏并调节距离，当物距大约为5cm、像距大约为5cm时，在墙面上看到8个清晰度、亮度不一样的蜡焰的像，像的大小都一样，只是亮度不一样，孔太大或太小都不能成像。其中孔径3mm的圆孔、方孔、三角孔所成的像的形状一样。

倒立的实像像的大小、形状一样，亮度不一样

【实验结论】

1、小孔成倒立的实像；

2、像有放大的也有缩小的，大小与物距、像距有关，与孔的大小无关。当物距一定时，像距越大像越大；当像距一定时，物距越小像越大；

3、像的形状与孔的形状无关，决定于物体的形状。

【本实验反思】

1、注意事项：本实验中小孔屏要选择透光度低的纸板，在光线暗的环境中进行效果明显。

2、存在的不足：用蜡烛做成像物体光线暗、不稳定，像物大小无法定量测量，实验器材没有固定，无法定量测出物距和像距，不能进一步找出像的大小与物距、像距的具体关系。

3、发现的新问题：改变物距或像距时，不但发现了像的大小在改变，同时发现像的亮度、清晰度也在改变，孔的大小不一样，像的亮度、清晰度也不一样，而对孔的大小也没有明确的分界点。孔径为2mm和3mm的最容易调节出像，当孔径为2mm和3mm的小孔能成像时，孔径小于1mm的不能成像，但把物距、像距调节的很小时（大约都为5mm），孔径小于1mm的能成像，而其他小孔则在墙面上呈现了与之形状相同的亮斑点。当物距、像距增大后，距离调节到一定程度，大孔能成像时小孔不能成像。

4、由本实验后提出的新的探究问题：

（1）像的大小与物距像距有什么定量关系？

（3）对孔的大小有怎样的要求?

针对以上实验的不足和提出的新问题我设计了两个实验，可以弥补不足、解决新的探究问题、证实已有的结论。

实验二：利用蜡烛、日光灯、窗户、太阳做成像物体探究小孔成像的特点

【实验名称】探究小孔成像的特点

【准备工作】1、2号小孔屏的制作同上。在一张纸上剪出孔径为10mm、30mm、50mm的圆孔为3号小孔屏，在另一张纸上剪出孔径10mm、30mm、50mm的正方形孔为4号小孔屏。

3号小孔屏 4号小孔屏

【实验器材】蜡烛、小孔屏、光屏（白墙面、白纸、桌面）、打火机

【实验目的】

1、像的形状与什么因素有关？

3、对孔径的大小有什么要求？

【实验过程】

1、用蜡烛做成像物体，墙面做光屏。

（1）在暗室中点燃蜡烛，把1号小孔屏放在蜡烛和墙面的中间，调节距离可观察一个清晰、倒立的蜡焰的像。改变物距和像距，观察像的亮度、清晰度的变化情况，发现在一定范围内，物距一定时（5cm），像距越大，像越暗、越清晰，当像距大于30cm时，墙面上看不到像。当像距一定时（5cm），物距越大，像越暗、越清晰，当物距大于100cm时，墙面上看不到像。

（2）保持其他条件不变，开、关室内电灯（或拉开、拉合窗帘），观察像的亮度变化，发现周围光线越暗，像的亮度越大，越清楚。

（3）换用2号孔屏。发现当像距小到2mm左右时，孔径小于1mm的也能成像。不断调整距离，找孔径等于1mm到等于6mm能成像的范围（指像距），实验证明对蜡烛而言，以上孔径各自能成像的范围不一样，在蜡烛距墙20cm时，孔径等于1mm的若能成像，像距需大于越0.5cm,孔径等于6mm的若能成像，像距需大于越15cm。由此可见，在同种条件下若能成像，孔径越大要求像距越大。同时观察到孔越大，像越亮，清晰度越低；像的大小一样，与孔的大小无关；像的形状与孔的形状无关。

物距一定，像距大的亮度低，清晰度高

像的大小、形状一样；孔大的亮度高，清晰度低；孔径大的对像距要求大。

2、用日光灯做成像物体，桌面做光屏。

在暗室中打开一个日光灯，依次使用1、2、3号孔屏，在桌面上可以观察到日光的像。不断调节小孔屏幕在桌面和灯之间的位置，找不同孔径能成像的范围。发现在桌面和灯之间，孔径小于1mm的小孔在离桌面约1mm时可以成像，孔径为50mm的大孔离桌面约20mm时可以成像。初步得出小孔径能观察到的条件是像距要足够小，像的亮度才能足够大，大孔径能成像的条件是像距要足够大。同时观察到在其他条件相同时，孔越大，像越亮，清晰度越低；像的大小（指日光灯像的长度）一样，与孔的大小无关；像的形状与孔的形状无关。打开其他日光灯（或打开其他窗帘），观察到像的亮度降低。

桌面上分别观察形状、大小（指长度）一样的日光灯的像，孔越大越亮，孔太小观察不到像的原因是亮度太低。

3、用窗户做成像物体，墙面做光屏。

在暗室中只打开一扇窗帘，依次使用1、2、3号孔屏，不断调节小孔屏与墙面的距离，找不同孔径能成像的范围。发现1号孔屏距墙约2cm时能看到窗户的像，2号小孔屏距墙约3cm 时观察到7个清晰不一样的窗户的像。孔越大，像越亮，清晰度越低；像的大小一样，与孔

的大小无关；像的形状与孔的形状无关。3号小孔屏当距离墙面小于10cm时，墙上出现与孔形相同的亮斑，增大与墙面间的距离能看到窗户模糊的像，但再增大距离时像消失，分析原因是窗户做为成像物体光太弱。初步得出在其他条件相同时，孔越小越容易成像，大孔径能成像的条件是像距要足够大，并且光源要足够强。打开其他日光灯（或打开其他窗帘），观察到像的亮度降低。

墙面上观察到7个窗户的像

4、用太阳做成像物体，地面做光屏。

在阳光下依次使用2、4号孔屏正对太阳（因为太阳本身是圆形，所以只使用2、4号孔屏），不断调节孔屏与地面的距离，找不同孔径能成像的范围。发现每个大小的孔都能成像，只是对像距要求不同，孔越大像距越大，当距离太大时看不到像，分析原因是像距太大时也有像，只是周围光线强影响了像的亮度。

【实验分析及结论】

以上4个实验分别用蜡烛、日光灯、窗户、太阳做为成像物体，尺寸从小到大；小孔的孔径依次为1—6mm、10mm、30mm、50mm，形状有圆形、正方形、三角形；承接实像的屏分别用墙面、桌面、地面。无论用哪个物体做为成像物体，用哪种形状的小孔，像的形状都和物体一样。用蜡烛做实验时，距离（物距和像距之和）超过100cm左右就看不到像了，用日光灯做实验时距离是灯和桌面，用窗户时距离是教室的宽度，用太阳时距离很大（太阳与地球的距离），各自能成像的条件不一样，对物体本身的亮度、孔的大小、物距、像距、周围的光线强弱都有一定的要求，只要以上因素同时满足一定的条件就能成像，对孔的大小并没有单一、明确的要求。也就是说只要来自物体的光足够强，无论孔径有多大，其他因素只要满足一定的条件就能成像。但能反应出能否成像与孔的大小的一般规律：小物体、弱光

源，应该在小距离范围内用孔径小的孔才能成像，如蜡烛在10cm左右范围用2—3mm孔径效果好；大物体、强光源，可在距离大、孔径大的情况下成像，如使用10mm孔径时，蜡烛不能成像，而日光灯能成像。孔径不能太小，如果与光的波长接近时，就会发生衍射。综合分析得出以下结论：

1、像的形状决定于物体的形状，与孔的形状无关；

2、像的亮度与周围光线、孔的大小、物体本身的亮度有关，在其他条件相同时，周围光线越暗、孔越大、来自物体光线越强，亮度越高；反之亮度越暗。

3、像的清晰度与孔的大小、物距、像距有关，在其他条件相同时，孔径越小、

物距越小、像距越大时，像的清晰度越高；反之清晰度越低。

4、孔的大小不一定，对不同的物体有不同的要求，一般规律是小物体、弱光源，应该在小距离范围内用孔径小的孔才能成像，比如蜡烛在10cm左右范围用2—3mm孔径效果好。【理论分析】

1、孔径越大像越亮，是因为穿过孔到达光屏的光越多，小孔径观察不到像是因为穿过的光线太少导致亮度不够，孔径太小时会发生衍射。

2、孔径越大、物距越大、像距越小，像的分辨率越低，是因为孔径越大，或物距越大，或像距越小时，来自物体同一点的光穿过小孔到达光屏后，重复的越多，所以像越模糊。【本实验反思】

1、以上实验和探究题目符合中学生的知识水平，器材简单、操作方便，易于中学生理解，帮助学生理解小孔成像的一般特点和规律，提高学习兴趣，能够体现从“生活走向物理，从物理走进生活”的理念。

2、实验无法测量物体大小、像的大小、物距、像距，没有定量得出像的大小与物体大小、物距、像距的具体关系。

3、对孔的大小与其他因素的具体关系没有得出，需要更精密的实验方案和器材，做进一步研究。

针对以上两个实验共同存在的不足：实验器材没有固定，像的大小与物距像距有什么定量关系？我设计了第三个实验予以弥补。

实验三：利用光具座探究小孔成像的规律

【实验名称】探究小孔成像的规律

【器材器材】光具座、蜡烛、光屏、1、2号小孔屏、打火机

【实验目的】像的大小与物距像距有什么定量关系。

【实验过程】

1、在暗室内将蜡烛、小孔屏、光屏依次固定在光具座上点燃蜡烛，调节位置可观察一个清晰的倒立的蜡焰的像。

2、调节距离，使得光屏上得到与物体大小相等的像，记录此时的物距、像距。改变物距、像距，观察像的大小的变化规律。测量出物距等于像距时，像物大小相等；物距大于像距时，像缩；物距小于像距时，像放大。

3、换用2号小孔屏，调节距离，使孔径为2mm、3mm的圆形、正方形、三角形成清晰的像，观察像的形状。

物距大于像距，像缩小物距等于像距，像等大

物距小于像距，像放大观察到7个形状、大小一样的像

【实验结论】

1、小孔成倒立的实像；

2、物距大于像距时，成缩小的像；物距等于像距时，成等大的像；物距小于像距时，成放大的像。

3、像的形状、大小与孔的形状、大小无关。