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光学

"动手做"文档  
Alain Chomat, Claudine Larcher, Edith Saltiel 中文镜象管理员
INRP 29 rue d'Ulm, 75005 Paris Paris
发表 : 19991 网上发布 :  19995 中译:2001/8/6  ImageTech (s)

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1999123日的问题 : 暗箱
2000120日的问题 : 阶段2有关颜色的活动

暗箱
在我的班级里我通过照相机的例子(非常容易做的实验)讲述了人眼的理解力。但我还有一点疑问。照相机的讲述是通过暗箱的方法。然而我感觉现有的照相机是通过物镜而非空来将一幅图象倒置(即便没有物镜,图象也能倒置在一张放在一次性照相机后面的透明纸上)。我因此做了一个简单的实验:将一根蜡烛的火焰图象通过一个聚焦物镜倒置在纸板上以及一张放在反光照相机后面的透明纸上,将模型反映出来。这一实验在你看来是否合适?
我是否应该使用暗箱做一些实验?并通过此来了解照相机?我没有找到何时将物镜用于照相机的信息以及它所带来的性能改进(如曝光时间等)。
我注意到我班级中的学生对照相机表现出很大的兴趣,一旦他们懂得了与人眼的相似性,我将试着看看学生是否能将他们所学的知识融会贯通:人眼通过视网膜接收信号和观看,当然需要经过大脑的处理,我没有看到其它的可能。因此人眼与照相机有着完全的相似性。需要先看看进展情况才能知道学生是否能很好地理解这一原理。

照相机是一种光学仪器,它使得我们能够在一张底片上获得一个物体的光学图象。我将试着描述这样一幅光学图象的性质。为此,我将以最简单的方式来考虑光学仪器:一个薄的聚焦物镜。取一个物品(如一棵小树(玩具)),一直径为23厘米的物镜,其焦距为520厘米(存在一些价格不贵的物镜支架)。调整物体和物镜,使得它们两者之间的距离大于物镜的焦距。然后,拿一屏幕(一张白纸或一小块有机玻璃),开始时将屏幕与物镜相对,然后将其朝远离物镜的方向移动。开始时只能看到一团光亮的斑点,接下来能识别一些绿颜色的东西,当屏幕移动到某一位置时,能够清楚地从上面看到树的倒象。

oeil.gif (620 octets)第一个性质:一个物体通过一个物镜在一个指定的位置可以获得清晰的图象。

现在,重新开始这一剪辑(树,物镜以及屏幕上的图象,屏幕处在一精确的位置)。制作一些小的遮挡纸片。

--一个遮挡纸片遮住物镜的一半,将其放在物镜上。屏幕上会发生什么变化呢?与大多数人的想法不同,人们在屏幕上依旧可以看到树的整幅图象,该图象显得暗淡一些因为穿过物镜的光线更少。

--将一个直径为8毫米的圆形片放置在物镜的中心,然后将其放在上边缘处,下边缘处,右边缘处,左边缘处,等等。还可以取一边长为8毫米的方形板或者一月芽形的纸板,将它们放置在前面所说的位置,人们还能够继续看到整个树的图象,唯一的区别在于光亮度。你们可以做相关的实验。

oeil.gif (620 octets)第二个性质:一个物镜的每一点都参与图象整体的构造。

一个物体的每一点,在一个指定的位置(屏幕放置在该处):这些因素使得图象清晰。

重复同样的场景,人眼位于屏幕后12厘米处,恰好位于在屏幕上能看到的图象的后面。眼睛不动,去除掉屏幕。你看到了什么?一棵倒置的树!也就是说你“裸眼”看到了通过物镜给出的树的图象。
现在我们来考虑暗箱:一个物体(同一棵小树),带有一个小孔的暗箱以及一张透明纸,通过透明纸将检验所看到的东西。

--首先,你观察到图象不总是清晰的。此外,如果你移动透明纸,你总能看到一棵倒置的树(与物镜的情况相反)。

--其次,用一小纸板遮住小孔的一半,观察你在透明纸上所看到的东西。再将一个细小的钉子垂直地置放于暗箱小孔的中心,你将在透明纸上看到一幅垂直方向上被一灰带割断的树的图象,该灰带是由放置的小钉子造成的;这一现象在使用物镜时并不发生。

--最后,将眼睛置于透明纸后面并抽取掉透明纸,你将会观察到你看不到倒置的树,甚至根本就看不到树:你看到的是暗箱的四壁以及小孔,仅此而已。在此方面,物镜光学图象与暗箱“图象”之间存在很大的差别。

 

上面三个例子表明在照相机和暗箱之间存在很大的差别,将两者联系起来是一个错误。为了明白这一点,我们的祖先曾经耗费了很多的时间:最早的时候,人们认为是因为某种东西离开人眼,眼睛才看见东西。然而,在黑暗中,我们赞颂也看不见。这一假设也就被剔除。接下来,人们(即便现在也还有一些缺乏生活经验的人这么认为)认为某种东西离开运动的物体,碰到另一些物体,然后到达人眼。在我们的行话中称之为旅行图象模型。举一个例子。重新回到最初的实验(一棵树,一个物镜和一个放置在合适位置的屏幕),去掉物镜,在屏幕上会看到什么?大部分被询问的人认为会看到“原处的物体”。请做一下试验,你们将只会看到发光的屏幕。

教训:尽管暗箱很容易构造,但成像的机制对于小学生来说还很维理解。无论屏幕的位置(位于孔的后面),对图象的观察,加深了孩子对图象的理解。上述实验结果表明暗箱与照相机之间的相似性比所想象的要小得多。反之,眼睛与照相机则非常相似。

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阶段2有关颜色的活动

我是师范学校二年级的学生,下周起我将在一所幼儿圆的大班开始为期四周的实习。我设想的工作内容与颜色有关,因此我希望建议学生做一些有关光效应的实验(在“发现世界”的范畴之内)。

我能够怎么做?除了传统的影子游戏之外可以建议学生做些什么实验?如何通过实验给学生解释颜色的概念?我希望按“动手做”的方式讲述有关的内容:问题、假设、实验、结论,但对于大班的学生是否可行?

 

对于颜色,可以给大班的学生并行地提供两种方法,两种方法都将从学生工作的画室开始。

oeil.gif (620 octets) 使用彩色液体(颜料,浸泡了彩纸的水)
oeil.gif (620 octets)着色透明纸
oeil.gif (620 octets)彩灯:带有彩色过滤的手电筒(用于小组实验)或者给大组实验用的用于照亮大厅的彩色聚光灯。

通过对混合不同颜色的液体(尤其是将绿色和红色混合)得到的结果的比较会让孩子们感到惊奇,并引导他们对每次所做实验的条件作出精细的描述。然后训练学生对彩色液体混合的结果作出预测(根据使用颜料或者光线的情况),并由他们自己做实验来检验预测的结果。学生还可以将彩色聚光灯的光线交叉,从屏幕上得到彩色半影。

在这些活动之前,根据经验,给学生先做一个有关颜色的介绍并要求他们列举出所知道的颜色名称是一个可行的办法。这样可以使用统一的词汇并将颜料集中起来代学生使用。

你可以从影子与光线这本小册子中找到面向幼儿圆学生的一些序列实验的详细描述。该书作者为Monique Saint-GeorgesCRDP出版社出版。

 

 

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