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(xué)生不可缺少的提升核心素養(yǎng)的有效途徑.所以“自制教具活動”可成為課堂物理實驗教學(xué)的有益補充.而自制教具之素材源于生活中的物理現(xiàn)象、教材中的探究實驗、學(xué)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(xiàn)舉例說明初中物理綜合實踐活動中，如何自主研制及創(chuàng)新“多功能光斑探究儀”教具.

【關(guān)鍵詞】初中物理；實驗教學(xué)；自制教具

開展初中物理實驗教學(xué)產(chǎn)生瓶頸的原因是教學(xué)內(nèi)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(xué)?？梢苑e極開展學(xué)生實驗教具自制活動.自制教具能激發(fā)學(xué)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(xiàn)教學(xué)效果的新突破.通過課外自制教具活動，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神，體現(xiàn)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(nèi)驅(qū)學(xué)生核心素養(yǎng)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(fā)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(chuàng)新，最終內(nèi)驅(qū)學(xué)生核心素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)的形成與提升.積極開展自制教具活動，給予學(xué)生自由發(fā)揮的空間，極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(zhuǎn)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(shè)計實驗器材并研制.對于蘇科版八年級上冊物理教材《學(xué)生實踐活動“探究樹蔭下的光斑”》[1]，學(xué)生通過仔細觀察樹蔭下的光斑，描述觀察到的現(xiàn)象，積極思考，發(fā)現(xiàn)并提出可探究的問題，培養(yǎng)其在對自然現(xiàn)象的觀察中發(fā)現(xiàn)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(shè)計簡單實驗，有控制變量的意識，并能用已學(xué)知識論證結(jié)果.

該探究活動設(shè)計目的：讓學(xué)生學(xué)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(guān)？光斑的形狀是否與孔的大小有關(guān)？光斑的形狀是否與孔到地面的距離有關(guān)？發(fā)現(xiàn)問題[2]：當(dāng)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(guī)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?zhí)岢鲆粋€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(guān)？

（2）光斑的形狀是否與孔的大小有關(guān)？

（3）光斑的形狀是否還與小孔到光屏的距離有關(guān)？

（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(chuàng)設(shè)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(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng).

（2）改進后實驗裝置，如圖3所示：

學(xué)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(shè)置暗環(huán)境.

說明教具中設(shè)置暗環(huán)境，從小孔處到光屏處空間采用：封閉較長的內(nèi)外兩層鏡筒，內(nèi)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(nèi)鏡筒一端放入外鏡筒的另一端開口處，內(nèi)鏡筒的薄膜（即光屏）位置便可在外鏡筒內(nèi)移動.

如上圖為設(shè)計制造的“暗環(huán)境”.在此“暗環(huán)境”下，光屏上的光斑（像）比較清晰可見，便排除了室內(nèi)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(xué)生思考：如何設(shè)計實驗方案？

①光斑的形狀是否與孔的形狀有關(guān)？

②光斑的形狀是否與孔的大小有關(guān)？

③光斑的形狀是否與小孔到光屏的距離有關(guān)？

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(guān)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(xiàn)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(guān)？又在什么情況下與孔的形狀有關(guān)？

當(dāng)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(dāng)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(guān)（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(guān)？”

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(shè)計實驗？（注意控制變量）

結(jié)論：孔形狀不變，小孔直徑尺度適當(dāng)，滿足小孔成像時，光斑（小孔所成像）形狀與孔的大小無關(guān)；但是，當(dāng)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(guān)？”

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(fā)，不難設(shè)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?。ㄏ窬嘧冃。?，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?。?，光斑便呈現(xiàn)為小孔的形狀.

（4）課題4：小孔成像時動態(tài)規(guī)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(guān)小孔成像的基本規(guī)律的研究范疇，由此課題不難設(shè)計出如下表格：

小孔成像動態(tài)規(guī)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?。幌窬鄓不變時，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(jié)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(dāng)孔的大小、物距u與像距v的尺寸適當(dāng)，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(dǎo)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(xiàn)象

①在實驗中看到的現(xiàn)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(zhì)中沿直線傳播；另一類光斑的特點是形狀不規(guī)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(jù)觀察到現(xiàn)象得出結(jié)論，并應(yīng)用所學(xué)的知識進行解釋，建議根據(jù)探究過程寫一篇小論文、師生、學(xué)生之間進行交流.

5結(jié)語

綜上所述，筆者認為：對實驗教具的研制與創(chuàng)新過程，必能內(nèi)驅(qū)學(xué)生核心素養(yǎng)形成，有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升.以上個人認識可能存在不足，敬請指導(dǎo)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(xué)用書.江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)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(xué)技術(shù)出版社.2021：40-42