淺談“多功能光斑探究儀”教具的研制

梅增高

【摘要】開展研制教具不僅是教師參與其中的項目，更是學生不可缺少的提升核心素養的有效途徑.所以“自制教具活動”可成為課堂物理實驗教學的有益補充.而自制教具之素材源于生活中的物理現象、教材中的探究實驗、學生綜合實踐的活動等.綜合實踐活動中所涉及的實驗儀器不一定都能在實驗室中尋得，大部分需要自行研制.現舉例說明初中物理綜合實踐活動中，如何自主研制及創新“多功能光斑探究儀”教具.

【關鍵詞】初中物理；實驗教學；自制教具

開展初中物理實驗教學產生瓶頸的原因是教學內容只停留在課堂，沒有延伸到課外.課外實踐活動可以用身邊易得物品做實驗，學校可以積極開展學生實驗教具自制活動.自制教具能激發學生對知識的興趣和求知欲，該活動需要師生共同的努力，實現教學效果的新突破.通過課外自制教具活動，激發學生的創造力和創新精神，體現出初中物理新課程理念“從生活走向物理，從物理走向社會”，內驅學生核心素養形成.

1自制教具意義

自制教具活動無形中滲透著“生生互動”“師生互動”“組組互動”等各種形式的交流、評估，發揮評價的育人機制，伴隨著教具的不斷完善、不斷改進、不斷創新，最終內驅學生核心素養、科學素養的形成與提升.積極開展自制教具活動，給予學生自由發揮的空間，極大地激發學生學習物理的興趣和求知欲，獲得成功的喜悅和信心，制教具活動可以融洽師生情感，也可認為是轉化后進生的有效途徑.

2研制教具素材來源、目的

為什么需要自主研究自制“多功能光斑探究儀”，其主要原因是：初中物理教材《綜合實踐》素材中須要進行探究活動，探究過程必定須要設計實驗器材并研制.對于蘇科版八年級上冊物理教材《學生實踐活動“探究樹蔭下的光斑”》[1]，學生通過仔細觀察樹蔭下的光斑，描述觀察到的現象，積極思考，發現并提出可探究的問題，培養其在對自然現象的觀察中發現問題的意識和能力.體驗探究樹蔭下光斑的過程，能針對問題提出猜想，設計簡單實驗，有控制變量的意識，并能用已學知識論證結果.

該探究活動設計目的：讓學生學會運用“控制變量思想”探究影響光斑形狀的因素.用怎樣的實驗來驗證、檢驗猜想？實驗探究中緊密圍繞：光斑的形狀是否與孔的形狀有關？光斑的形狀是否與孔的大小有關？光斑的形狀是否與孔到地面的距離有關？發現問題[2]：當你從樹蔭下走過，如圖1，有沒有注意過：太陽光透過樹蔭在地面上形成各種各樣的光斑？仔細觀察，說一說：樹蔭下光斑的形狀有哪些特點？有些光斑形狀不規則（如近似為三角形、橢圓形等）；還有一些光斑是圓形的，而圓形光斑的亮度是較暗的.

請提出一個或幾個你感興趣的、想要探究的問題：

（1）光斑的形狀是否與孔的形狀有關？

（2）光斑的形狀是否與孔的大小有關？

（3）光斑的形狀是否還與小孔到光屏的距離有關？

（4）小孔所成像大小隨孔到地面的距離（像距）如何變化？

（5）小孔所成像大小隨物到小孔的距離（物距）如何變化？

3“多功能光斑探究儀”研制過程

（1）初步實驗裝置，如圖2所示：

說明：在白天強光下，光屏上的光斑（像）不夠清晰，比較模糊.無形中便創設了物理情境問題：如何讓光斑變得更清晰？在此情境問題中，不斷探究解決問題，進一步提升學生創新能力、科學素養.

（2）改進后實驗裝置，如圖3所示：

學生通過小組探討，會大膽提出較多的解決方案.也就是如何設置暗環境.

說明教具中設置暗環境，從小孔處到光屏處空間采用：封閉較長的內外兩層鏡筒，內鏡筒裝有較薄的塑料薄膜，作為光屏；外鏡筒一端與光柵的小孔對接、粘連，將帶有塑料薄膜的內鏡筒一端放入外鏡筒的另一端開口處，內鏡筒的薄膜（即光屏）位置便可在外鏡筒內移動.

如上圖為設計制造的“暗環境”.在此“暗環境”下，光屏上的光斑（像）比較清晰可見，便排除了室內強光的干擾.

4“多功能光斑探究儀”功能的測試說明

為探究以下問題，學生思考：如何設計實驗方案？

①光斑的形狀是否與孔的形狀有關？

②光斑的形狀是否與孔的大小有關？

③光斑的形狀是否與小孔到光屏的距離有關？

④小孔所成像大小隨孔到地面的距離（像距）如何變化？

⑤小孔所成像大小隨物到小孔的距離（物距）如何變化？

（1）課題1：探究“光斑的形狀與孔的形狀關系？”

光柵工具：帶有正方形、三角形、圓形小孔的光柵.讓光源透過不同形狀的小孔投放在光屏上，觀察光屏上出現的光斑的形狀和亮度.（注意控制變量，須控制孔的大小及其他因素不變，只改變孔的形狀.）

問題：光斑的形狀在什么情況下與孔的形狀無關？又在什么情況下與孔的形狀有關？

當小孔不夠大時，是滿足小孔成像條件的，孔的形狀不影響小孔所成像的形狀；當小孔足夠大時，不符合小孔成像時，光斑的形狀與孔的形狀有關（即為光斑形狀與孔的形狀相同）.

（2）課題2：探究“光斑的形狀是否與孔的大小有關？”

怎樣改變小孔的大小，進行對比實驗？必須控制孔的形狀及其他因素相同，只改變孔的大小，如何設計實驗？（注意控制變量）

結論：孔形狀不變，小孔直徑尺度適當，滿足小孔成像時，光斑（小孔所成像）形狀與孔的大小無關；但是，當孔直徑尺度較大，不滿足小孔成像條件時，光斑形狀便為小孔的形狀.

（3）課題3：探究“光斑的形狀是否與小孔到光屏的距離有關？”

探究思路：須控制其他因素不變，只改變小孔到光屏距離.由此探究思路出發，不難設計出如下表格：

小孔成像時，物距不變，小孔到光屏的距離逐漸減小（像距變小），光斑的形狀不變；但如果小孔到光屏的距離足夠小時（像距足夠小），光斑便呈現為小孔的形狀.

（4）課題4：小孔成像時動態規律

小孔所成像大小隨孔到地面的距離（像距v）如何變化？

小孔所成像大小隨物到小孔的距離（物距u）如何變化？

該課題本身屬于有關小孔成像的基本規律的研究范疇，由此課題不難設計出如下表格：

小孔成像動態規律：物距u不變時，小孔所成像大小隨像距v增大而增大，隨像距v減小而減小；像距v不變時，小孔所成像大小隨物距u增大而減小，隨物距u減小而增大.

綜上所述：結合以上所有實驗分析：光斑不一定是通過小孔所成的倒立實像，當孔的大小、物距u與像距v的尺寸適當，符合小孔成像的條件時，光斑形狀即為倒立實像；若因小孔太大或者像距v尺寸太小等因素導致不滿足小孔成像條件時，光斑的形狀便與孔的形狀極為相似.

（5）回歸生活中的物理現象

①在實驗中看到的現象是否支持該猜想：光斑的形狀是由樹葉間縫隙的形狀決定的？

②太陽光透過樹蔭在地面上形成的光斑可以分成兩類：一類光斑的特點是圓形，形成的條件是 光在同種均勻介質中沿直線傳播；另一類光斑的特點是形狀不規則，形成的條件是樹葉的縫隙太大，光斑形狀與縫隙形狀相似.

（6）交流與評價

根據觀察到現象得出結論，并應用所學的知識進行解釋，建議根據探究過程寫一篇小論文、師生、學生之間進行交流.

5結語

綜上所述，筆者認為：對實驗教具的研制與創新過程，必能內驅學生核心素養形成，有利于學生科學素養的提升.以上個人認識可能存在不足，敬請指導與修正.

參考文獻：

[1]劉炳昇，李容總主編.蘇科版八上冊物理教師教學用書.江蘇鳳凰科學技術出版社.2021：98-100

[2]劉炳昇，李容總主編.蘇科版八上冊《物理實驗》.江蘇鳳凰科學技術出版社.2021：40-42