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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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科學學習中心
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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。 -
LED光源組、行動電源、咖啡杯x2、白膠、描圖紙(10cm x 10cm)、美工刀、尖錐或圖釘、尺
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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) 使用美工刀裁切杯子時,需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距離,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) 若在針孔後端加上一個凸透鏡或菲涅耳透鏡,成像和成像距離會有甚麼改變呢? -
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。