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元代赵友钦“小孔成像”的实验重现

更新时间:2024-01-18 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:15次

【摘要】小孔成像证明了光沿直线传播的特点,但中学生在学习这一内容时觉得比较具象,因此笔者制做了小孔成像演示仪,让南宋赵友钦“小孔成像”的实验再现,本文围绕小孔成像演示仪的制做方式和在制做过程中怎样突破制做困局,以在实践教学中应用的疗效等方面作必要的探究.rEq物理好资源网(原物理ok网)

【关键词】自制教具小孔成像教学疗效rEq物理好资源网(原物理ok网)

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才能解释好多现象,如影子的产生、为什么“坐井观天,所见甚小”等.甚至科学家借助日食现象确定了夏、商、周三个王朝的准确年代.课本借助“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做.可见这部份内容对中学生是多么的重要,笔者也想借助小孔成像实验把中学生带入化学的殿堂.rEq物理好资源网(原物理ok网)

一、什么是小孔成像rEq物理好资源网(原物理ok网)

在两千多年前,知名学者墨翟和他的中学生在《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,甚至宋代的赵友钦还用实验的方式得到有关小孔成像的一些性质.小孔成像这个实验能否挺好的说明“光在均匀介质是沿直线传播的”基本特点,由于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,此为虚像.rEq物理好资源网(原物理ok网)

小孔成像现象在生活中也是常见的,如绿荫下方形光斑.人们还借助光的这些特点制做了初期的拍照机,直到明日仍有部份摄影人在用小孔成像原理来完成作品的创作.诸如:知名针眼摄影家史国瑞借助小孔完成《金山岭长城》和《珠穆朗玛峰》等巨幅针眼摄影作品的创作.rEq物理好资源网(原物理ok网)

按照课本“WWW”的要求,班主任会布置中学生回去用易拉罐或则红茶罐以及半透明薄膜等原料来制做小孔成像的演示仪.右图1为课本提供的小孔成像演示仪的样子.rEq物理好资源网(原物理ok网)

图1课本中提供图2部份中学生作品rEq物理好资源网(原物理ok网)

朋友们可能是遭到书中影响,或则是动手能力不强等诱因,大部份朋友完成作品都如上图2所示的样子.虽然那些作品是能否在薄膜成倒立的像,可以说明光在均匀介质是沿直线传播的.并且,笔者更想推动中学生一起更进步研究小孔成像的性质,以迸发中学生学习热情,更想还原明代赵元钦关于小孔成像有关性质探究的实验,符合本节“了解我国古时在光现象研究上的成绩,晓得中华文明对科学发展做出的贡献”的教学目标,很显著中学生制做的“小孔成像”演示仪,难以达到笔者期望的目的,具体表现为难以完成以下探究:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(1)小孔成像的大小与物距的关系;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(2)小孔成像的大小与像距的关系;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(3)小孔成像的情况与小孔形状的关系;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(4)小孔成像的情况与小孔大小的关系.rEq物理好资源网(原物理ok网)

这么怎么能够完成以上的探究呢?只有对以上作品进行必要的改进.rEq物理好资源网(原物理ok网)

二、小孔成像演示仪的制做rEq物理好资源网(原物理ok网)

为了才能顺利探究以上各个问题,须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:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(1)才能便捷快捷的改变物距;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(2)才能便捷快捷的改变像距;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(3)才能便捷快捷的改变小孔形状,且还能尽量多的变换小孔的形状;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(4)才能便捷改变小孔的大小,且小孔的半径从小到大的数目要多.rEq物理好资源网(原物理ok网)

由于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:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(5)实验现象必须显著直观,成像要清晰明了;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(6)小孔所成的像要比较大,必须才能让中学生观察到,非常要让后座朋友也能观察清楚到.rEq物理好资源网(原物理ok网)

基于要解决以上诸多问题,在制做时做了一些改进,具体过程如下:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(一)光具座的选择rEq物理好资源网(原物理ok网)

在寻找制做材料时,遭到了“探究凸透镜成像的规律”实验的启示,可以充分借助实验室现有光具座,由于光具座上的滑块可以很便捷的左右滑动,可以便捷快捷改变物距和像距,这样就可以挺好解决功能(1)和功能(2).rEq物理好资源网(原物理ok网)

图3光具座rEq物理好资源网(原物理ok网)

这样借助现有的器材就大大减低制做成本,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阐述“1、做大一些(Largescake);2、使用信手可得材料(Easy)”.rEq物理好资源网(原物理ok网)

(二)转盘的制做rEq物理好资源网(原物理ok网)

这么怎样才能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)的部份功能.想到了摩托车或则单车传动链条的盘片,由于这些盘片上有好多孔并且较大,这样易于装入大小和形状各异的小孔,再加上这些盘片的中心有转轴可以便捷的进行旋转,这样在快速选择小孔就便捷许多,权衡大小后选择了摩托车上的盘片,但是这些轮组在摩托车维修店有好多报废了的,取材极为便捷.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。制做好的盘片如右图4.rEq物理好资源网(原物理ok网)

图4盘片图5有各类各样小孔的小孔盘rEq物理好资源网(原物理ok网)

这个盘片能解决功能(3)和功能(4)的部份功能.rEq物理好资源网(原物理ok网)

(三)小孔的制做rEq物理好资源网(原物理ok网)

当选择好合适的盘片后,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当怎样设计才更合理,能够满足的实验探究的须要,顺利的完成实验的探究呢?经过查阅相关资料,依照选择光具座的厚度和光源的大小,笔者制做的小孔半径从1mm到1cm多个不等的小孔,并制做有半方形的、三角形的、月牙形的、五角形的等形状不同的小孔.小孔就设计在长度约2mm厚那个免费领取广告扇上,从大小长度和软硬程度都符合制做要求,又是一个“零”成本的材料(如图5).把此小孔盘贴在上述的盘片上,通过旋转盘片更换小孔,即快捷又便捷.rEq物理好资源网(原物理ok网)

(四)发光物体的制做rEq物理好资源网(原物理ok网)

发光物体选择哪些呢?笔者舍弃了选择燃起的蜡烛,由于它不符合要求,笔者希望制做的发光体,应当符合以下点要求:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(1)发光体要有一定的照度自制物理实验器材,这样成的像比较清晰,便于观察;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(2)发光体要稍为大点,让后座的朋友也能清楚的观察到;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(3)发光体要能循环多次借助,节省环保;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(4)发光体必须安全稳定,以免发生意外;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(5)发光体经小孔成的像要便于观察,是正立的还是倒立的.rEq物理好资源网(原物理ok网)

基于以上考虑,最终选择了新型光源LED灯,用多个LED灯管制做了“F”型和“P”型发光体,字形大小在8cm左右.rEq物理好资源网(原物理ok网)

为何选择制做P型字母呢?由于P型可以进过翻转或旋转得到“b、d、q”等字型,灵活多变.并且平常练习时经常遇到这个字母成像剖析.rEq物理好资源网(原物理ok网)

选择是直流供电形式,主要有两方面考虑:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(1)这样愈加便捷联通和操作不受实验地点有无交流电限制;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(2)不会发生触电车祸,这样更安全.rEq物理好资源网(原物理ok网)

制做好的实物如下:rEq物理好资源网(原物理ok网)

图6光源P图7光源FrEq物理好资源网(原物理ok网)

(五)光屏的制做rEq物理好资源网(原物理ok网)

中学生那个简易的小孔成像装置用的是半透明薄膜作为光屏,然而成像疗效不理想,主要是半透明薄膜易发生形变,这么所成的像也是发生扭曲的,成像不够直观遂之舍弃.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,并且要用磨砂面去接收小孔成的倒立的像,实验疗效挺好.制做好的如右图8所示:rEq物理好资源网(原物理ok网)

图8光屏图9物镜rEq物理好资源网(原物理ok网)

(六)物镜的制做rEq物理好资源网(原物理ok网)

为何要制做物镜呢?由于假如仅在光具座上依次按放LED发光板、小孔、光屏,这么在光屏上所成的像还是不够清晰,由于遭到了外界强光的干扰,除非在避光条件好暗室进行,普通的寝室是难以满足的.这似乎不符合作为教学用的演示教具的特性,所以物镜就变得十分必要了.选择制做物镜材料时考虑了个三诱因:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(1)半径要较大,以便中学生观察;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(2)要有一定的硬度,这样操作时不易变型;rEq物理好资源网(原物理ok网)

(3)要挺好的避光性即不透.rEq物理好资源网(原物理ok网)

基于以上考虑有两种材料步入备选范围是用白铁皮加工的圆桶和半径较大PVC管.考虑取材的便捷和经济实用方面,最终选择了PVC管,并把它涂料成红色,如上图9所示.rEq物理好资源网(原物理ok网)

(七)细节的处理rEq物理好资源网(原物理ok网)

要想制做符合要求的小孔成像演示仪,达到再现赵元钦小孔成像实验的目的,但是,为了使实验的疗效更显著在细节作了一些处理:rEq物理好资源网(原物理ok网)

(1)把磨沙玻璃安装在半径为16cm的PVC的“直接”内作为光屏,并在光屏的顶部装好轮子,以便前后联通.rEq物理好资源网(原物理ok网)

(2)在物镜涂成红色利于消光,并在物镜内贴上消光植绒,降低光的反射而影响成像疗效.rEq物理好资源网(原物理ok网)

(3)用管卡固定物镜自制物理实验器材,便捷左右联通.rEq物理好资源网(原物理ok网)

(八)制做完成及成像疗效rEq物理好资源网(原物理ok网)

制做这套小孔成像演示议,用到到几十个小的零件,而且组装好之后成像疗效特别好,完全才能达到预期有疗效,重现了赵元钦的小孔成像实验.右图为装置好的疗效(图10)和成像疗效(图11).rEq物理好资源网(原物理ok网)

图10组装图11成像疗效rEq物理好资源网(原物理ok网)

三、小孔成像演示仪的教学疗效rEq物理好资源网(原物理ok网)

此演示仪在学习光的直线传播时教学疗效明显,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,完全才能证明光沿直线传播的特点.中学生在用此演示仪探究问题时表现了极大参与热情,体会了我国科学家在光学领域取得的伟大成就,遭到了极大的鼓舞,迸发了朋友们学好科学、用好科学的热情.rEq物理好资源网(原物理ok网)

此小孔成像演示仪实际疗效得到了领导和同行的一致认可,出席自制教具赛事获得了上海市银奖并获得浙江省二等奖的好成绩,更可贵的是被其它兄弟中学的班主任借去出席全县级教学公开课、教学大赛等活动,演示的疗效同样得到出席活动的老师、评委以及朋友的赞扬.rEq物理好资源网(原物理ok网)

【参考文献】rEq物理好资源网(原物理ok网)

1、刘炳昇.学校理科实验教学指导——初中数学分册.湖南科学技术出版社,2012.8rEq物理好资源网(原物理ok网)

2、刘炳昇李容.化学(八年级下册).湖南科学技术出版社2013年1月第1版rEq物理好资源网(原物理ok网)

3、江苏省教育武器与勤工俭学管理中心.学校实验室管理与实验技术.扬州师范学院出版社,2007.7rEq物理好资源网(原物理ok网)

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