探究小孔成像的幾個問題|小孔成像原理

　　摘 要：文章通過實驗并結(jié)合日常生活中的實例，對“小孔成像”這一眾所周知的物理現(xiàn)象中的成像原理、小孔影響成像因素及相對性質(zhì)進行了闡述?！　￡P(guān)鍵詞：小孔；成像原理；探究
　　中圖分類號：G632 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）17-271-01
　　早在公元前四世紀(jì)成書的《墨經(jīng)》中就記載了小孔成像的實驗，小孔成像，這是眾所周知的，但并非人人理解這一物理現(xiàn)象。下面從幾個方面對小孔成像進行探究。
　　一、對“成像原理”的理解
　　早在春秋戰(zhàn)國時期，我國杰出的科學(xué)家墨翟便和他的學(xué)生做了第一個有關(guān)“小孔成像”的實驗。當(dāng)時，他們在一間黑暗的小屋朝陽的墻上開一個小孔，人對著小孔站在屋外，屋里相對的墻上就出現(xiàn)了一個倒立的人影。這便是我國最早關(guān)于小孔成像的傳說。
　　到了十四世紀(jì)中葉，元代天文數(shù)學(xué)家趙友欽在他所著的《革象新書》中進一步詳細(xì)地考察了日光通過墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的關(guān)系。通過更加完備的實驗，他得出當(dāng)孔相當(dāng)小的時候，不管孔的形狀怎樣，所成的像是光源的倒立像，這時孔的大小只不過和像的明暗程度有關(guān)，不改變像的形狀。當(dāng)孔相當(dāng)大的時候，所得到的像就是孔的正立像。
　　經(jīng)過千百年來，各位先輩的反復(fù)實驗，最終人們得出小孔成像是由于光的直線傳播形成的。如何理解這一說法呢？我們知道，一個發(fā)光體（或反射光的物體）可看成由無數(shù)發(fā)光點組成。由于光是沿直線傳播的，各發(fā)光點發(fā)出的光束經(jīng)小孔射到光屏上，形成一個小光斑，即為發(fā)光點的像，如果孔足夠小，各發(fā)光點在光屏上形成的光斑不會明顯重疊，即個發(fā)光點的像沒有明顯重疊，從而呈現(xiàn)出整個物體清晰的像，這便是小孔成像的實質(zhì)。它是理解小孔成像問題的關(guān)鍵和依據(jù)。
　　二、對“小孔”的理解
　　1、所謂“小孔”，孔要小到什么程度方可成像呢 實驗表明，當(dāng)發(fā)光體、孔、光屏三者位置一定時，不斷增加孔的大小，我們將在光屏上看到這樣的現(xiàn)象：像由清晰逐漸變得模糊，直至看不到像而只能見到孔狀的光斑。這是因為，當(dāng)三者的位置一定時，孔越大，各發(fā)光點的光束在屏上形成的光斑越大，而光斑的重疊程度越高。只要孔小到能使發(fā)光體的各發(fā)光點在屏上的像不明顯重疊，就能使整個物體成像。
　　2、小孔是否必須是圓形的 由小孔成像原理可知，小孔只起限制光束的作用，以保證各發(fā)光點在屏上的像不明顯重疊，而小孔的形狀對此沒有任何影響。我們經(jīng)?？吹?，太陽光經(jīng)過屋頂瓦片之間或稠密樹葉之間的孔隙，在地面上出現(xiàn)的依然是圓形光斑，而這光斑便是太陽的像。但是，眾所周知，瓦片間或樹葉間的孔隙一般不是圓形，這便是最好的例證。
　　3、有時尺寸很大的孔為什么也能成像 如上面說的太陽經(jīng)瓦片間或樹葉間的大孔隙也可成像。這是由于發(fā)光體離孔很遠(yuǎn)，雖然孔較大，但相較于發(fā)光體到孔的距離還是很小的，發(fā)光體上各發(fā)光點的像重疊不明顯，從而通過“大孔”的像依然很清晰。
　　4、孔太小為什么又不能成像 由于孔越小，通過的光束也就越細(xì)，光斑亮度從而降低；雖然各發(fā)光點的像重疊程度較低，屏上有物體的像，但像的可見度隨之將低，以致看不清楚。若孔小到使光出現(xiàn)了明顯的衍射現(xiàn)象而不再是直線傳播的話，各發(fā)光點就不能在光屏上確定的位置成像，屏上便呈現(xiàn)不出整個物體的像。
　　三、對“成像大小”的理解
　　小孔成像：成一個倒立的實像，而像的大小與哪些因素有關(guān)呢？接下來，我們將用一個實驗對此進行探究。
　　我們用到的實驗器材有：蠟燭，小孔屏，光屏，光具座，火柴。將蠟燭，小孔屏與光屏依次放在光具座上，調(diào)整高度，使?fàn)T焰，小孔，光屏中心大致處于同一高度。接著，通過控制變量的方法依次進行實驗。從而，我們得出以下結(jié)論：
　　1、當(dāng)物體與小孔距離一定時，移動光屏，光屏越遠(yuǎn)，像越大。
　　2、當(dāng)光屏與小孔距離一定時，移動物體，物體越遠(yuǎn)，像越小。
　　3、當(dāng)物體和小孔的距離與光屏到小孔的距離相等時，像的大小與物體的大小相等。
　　綜上所述，小孔的“小”是相對的，沒有確定的尺寸限制，也不受幾何形狀的限制，但要受物理條件限制。這條件就是：“發(fā)光體上各發(fā)光點發(fā)出的光束沿直線經(jīng)孔到達光屏上，在確定位置形成像點，且各像點無明顯重疊。小孔成像是倒立的實像，像的大小與物體到小孔的距離和光屏到小孔的距離有關(guān)”。從以上的實驗結(jié)果，得出了小孔的像和光源的形狀相同、大孔的像和孔的形狀相同的結(jié)論，這便是小孔成像這一物理模型之含義。