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針孔成像
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光與色的世界（第三冊第四章第一節）
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光的傳播
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40分鐘
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唐健文老師
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一、經由針孔成像瞭解光的直線傳播。
二、瞭解針孔成像成像大小和距離的關係。 -
PP含蓋圓球布丁杯（口徑6.8cm、高6.2cm、容量120cc）、紅光LED燈串（型號9mm，電壓5V）、USB線、電工膠帶、白膠、外套筒（內徑7cm，長18cm）、內套筒（內徑6.3cm、長18cm）、內套筒蓋、描圖紙（10cm x 10cm）、A4黑紙（180磅，含模板）、圓孔刀、剝線鉗、尖頭剪刀、珠針或尖錐、美工刀或筆刀、切割墊
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行動電源或相等輸出的電源。
- 時間 教學活動流程 教學資源
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5分鐘一、 生活連結與預測
1. 引起動機：
教師準備小紙杯（針孔成像）的實驗裝置與燈源，讓學生猜測紙屏（描圖紙）上的成像情形。
2. 生活連結：
陽光普照時，帶著學生到樹蔭底下，觀察陽光穿過樹葉縫隙在地上的成像，可發現許多正圓形小圓點（太陽形狀）。
3. 舊課程回顧：
光的直進性、影子的成因。 -
20分鐘二、 操作與觀察
1. 依據操作步驟安裝實驗裝置後進行實驗。
2. 教學提示：
(1) 使用圓孔刀裁切杯子時，應將瓶蓋置於一物體上，以便於施力，小心使用並注意安全。
(2) 在操作實驗時，儘可能注意套筒與光源間，以及套筒上是否有縫隙，避免因外在光線造成操作、觀察時的不便。
(3) 屏幕材質的選擇，以透光性高的材質為優先考量，以便於觀察紙屏上成像情形。
(4) 若針孔較小，則紙屏上的成像亮度較低，宜降低周圍環境亮度，避免周圍光線干擾，提高成像亮度與環境光線之對比，以便於觀察紙屏成像。
(5) 進行實驗前，請先預測改變成像屏幕與針孔的距離、針孔大小、針孔數量、針孔形狀之結果。
3. 延伸探究：請先預測結果後，再進行實驗驗證。
(1) 改變成像屏幕與針孔的距離，觀察成像大小及亮度如何變化。
(2) 改變針孔大小，觀察成像大小、亮度及清晰程度如何變化。
(3) 改變針孔數量，觀察成像數量有何變化。
(4) 改變針孔形狀，觀察成像形狀、亮度、大小及清晰程度有何變化。 -
5分鐘三、 原理說明
1. 光在均勻介質中是直線行進的，因此發光體發出的光通過很小的針孔後能在紙屏上成上下顛倒，左右相反的實像。
2. 針孔很小時，成像會是很清晰的發光體形狀，但是亮度較弱，針孔過大時，成像邊緣會開始模糊，且容易呈現出針孔的形狀。
3. 由於針孔孔洞較小，限制光通過的區域與角度，使得光的成像會與開放空間的成像不同。
4. 利用改變針孔數目、大小、形狀，觀察到的成像情形。可利用光直線前進的特性，以圖示法（光路徑圖）來解釋實驗結果。
5. 由光路徑圖可以說明物體與像會有上下顛倒，左右相反的關係。
6. 由實驗結果知道，可以在紙屏（描圖紙）上成像，是實際光線匯聚成像，所以屬於實像。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 光通過一個針孔與兩個針孔，成像會有什麼不同？
解答：因為多了一組光線通過第二個針孔，所以兩個針孔的裝置比一個針孔的裝置多了一組相同的像。
2. 針孔越大，對於成像與亮度會有什麼影響？
解答：針孔大一些，物體上同一個點發出的光可以從稍微不同的角度通過針孔，所以成像的大小大致不變，但是邊緣會有一點模糊。而且因為通過的光量較多，所以成像會較亮。針孔越大，成像亮度越增加但越模糊。如果針孔變成一個比物體還大的洞，因為相比之下物體是一個小光源，向相當大的角度發射出光，屏幕上會呈現出和大洞類似形狀的亮區，辨認不出類似物體的形狀。
3. 改變針孔與屏幕（描圖紙）之間的距離，對於成像會有何影響？
解答：如圖，物體、光線及成像形成兩個相似三角形。相似形的對應邊長、對應高（與針孔的距離）成正比關係。所以針孔與屏幕之間的距離越大，成像就越大。但是因為相同的光量分布到越大的面積，所以亮度越小。形狀及方向則不改變。