多用途小孔成像演示仪

多用途小孔成像演示仪

小孔成像是因光作直线传播而产生的一个典型现象。做好这一现象的演示实验有利于增强学生的学习兴趣，加深对小孔成像的规律、原理和实质的认识。但在中学物理仪器配备中至今尚无相应的定型仪器，这不能不说是一个缺憾。虽然在某些教参书刊中已有过利用易拉罐、蜡纸筒等做自制教具的介绍，但许多教师经仿制试用后发觉现有的方法在制、用方面均欠方便，演示效果也欠佳。为弥补这一欠缺，宁波市北仑区顾国和中学陈志辉老师自制了两套小孔成像演示仪（图1）。该仪器取材、制作、使用均很方便，在课堂里演示时门窗不需遮光，可见度大，既可用作定性观察，又可供定量研究。教师们使用后认为效果很好，有推广价值。现介绍如下：

图1

1材料的选取：

①废弃的彩照相纸卷筒一只。该筒长12．8cm，内径7．5cm，筒壁厚0．6cm，两端各塞有一只孔径为3．8cm的塑质轴承。制作时选取卷筒及外面平滑的一只轴承，它们的剖面图如图2。②百得胶、塑质半透纸（或机械绘图纸、毛玻璃），照相馆废弃的黑相纸、红相纸。③8cm宽的杉木地板0．8m，橱窗玻璃塑质槽轨0．6m，螺口灯座、板扭开关、60W螺口灯泡、40W乳白灯泡、电源插头各1只，电线2－3m。

图2

图3

2制作方法：

（1）用百得胶将黑相纸与半透纸分别粘贴在卷筒的A、B两端。胶干固后沿卷筒外周将多余的纸剪去，然后用美工刀在黑纸中央开划一个边长为1cm的方孔，如图3。

（2）用美工刀裁一片6cm×5cm的黑相纸，正中开一边长1cm的方孔，然后按图4折一个插片槽，胶粘在卷筒的A面上，并使两方孔重合。裁一条长15cm，宽略小于3cm的红色相纸，用烧红的针、钉及美工刀沿相纸中线依次开出直径为1mm、2mm、3mm、5mm的小圆孔和边长为3mm的三角孔、方孔各一个，便做成一条多孔插片，如图5。插片上相邻孔的距离应大于1cm。将插片插入插片槽中便得到一只具有多种小孔的像筒，如图6。

图4

图5

图6

图7

（3）用杉木地板按图1做一个侧面呈L形的象筒支板，沿板的中线胶粘好塑质槽轨。再在象筒底部胶粘一条宽度略比槽小的滑块（可用竹削制），要使像筒能在槽轨上自由滑动却不易出轨。在支板的左侧安装灯座、开关、电源插头。安装时务使灯丝与像筒上的小于乙等高，以使灯丝的倒像成在半透纸（像屏）的中央区域。

（4）在支板前侧，从灯丝位置起粘贴每条长与像筒相等的黑白相间的标记条，交接处标注0、1、2、3等数字，见图1。因标记条与像筒等长，故这些数字既可代表物距U，又可代表物距与像距的比值U/V。

（5）为了防止演示时灯光刺眼而影响观察，可用易拉罐做一只遮光灯套。灯套左端套住灯座，右端开一与灯丝尺度相同的圆孔，上下侧钻一些散热孔，如图7。另外，为使仪器美观些可将杉木板漆成湖蓝色，像筒侧面贴以彩色装横粘纸。

3演示方法：

（1）观察与定性分析：

A．把像筒置于槽轨上某处。装上60W螺口灯（灯丝呈C形）套上遮光灯套，像屏面对学生。开启电灯，这时像屏上立即出现明亮的C形灯丝倒像（全班学生都能看到）。

B．逐渐增大（减少）物距，也即增（减）U/V的值，可看到灯丝倒像逐渐缩小（增大）。此可配合成像示意图进行解释。

C．保持像筒位置不变，抽动插片，变换小圆孔的孔径，发现像的大小不变，但孔越小像越清晰。然后改用三角形孔、方孔，可发现像形与孔形也无关。

D．用40W乳白灯泡替换60W透明灯泡，可发现像屏上出现圆形像斑。再变换小孔的孔径或孔形，可发现像斑的形状和大小均不变。借此认识有关树林中的太阳光斑问题。

E．利用特制的附件，可进一步揭示小孔成像的原理和实质，即这种像实质是来自发光体的并通过小孔的无数锥形细光束在屏上的投影光斑集合。此处从略。

（2）定量研究

现选用插片上最小的圆孔做实验。先后把像筒左端置于刻线1、2、3位置，直接用刻度尺量出各次像高H1、H2、H3。可以得出：

实验结果表明：像高与物距成反比。这显然是因光作直线传播而造成的必然结果。事实上，由小孔成像的示意图（图略）可以得到：

那么，HU＝hV

本实验中，hV为定值，则H与U成反比。这正好与实验结果相符，说明小孔成像确实是由光的直进现象所致。

实际使用表明，利用本仪器进行实验教学有助于学生掌握小孔成像的规律，加深对小孔成像的原理和实质的认识。