探究小孔成像的幾個問題

摘 要：文章通過實驗并結合日常生活中的實例，對“小孔成像”這一眾所周知的物理現象中的成像原理、小孔影響成像因素及相對性質進行了闡述。

關鍵詞：小孔；成像原理；探究

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）17-271-01

早在公元前四世紀成書的《墨經》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

早在春秋戰國時期，我國杰出的科學家墨翟便和他的學生做了第一個有關“小孔成像”的實驗。當時，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了一個倒立的人影。這便是我國最早關于小孔成像的傳說。

到了十四世紀中葉，元代天文數學家趙友欽在他所著的《革象新書》中進一步詳細地考察了日光通過墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的關系。通過更加完備的實驗，他得出當孔相當小的時候，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，不改變像的形狀。當孔相當大的時候，所得到的像就是孔的正立像。

經過千百年來，各位先輩的反復實驗，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，一個發光體（或反射光的物體）可看成由無數發光點組成。由于光是沿直線傳播的，各發光點發出的光束經小孔射到光屏上，形成一個小光斑，即為發光點的像，如果孔足夠小，各發光點在光屏上形成的光斑不會明顯重疊，即個發光點的像沒有明顯重疊，從而呈現出整個物體清晰的像，這便是小孔成像的實質。它是理解小孔成像問題的關鍵和依據。

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，當發光體、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，當三者的位置一定時，孔越大，各發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。只要孔小到能使發光體的各發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。我們經常看到，太陽光經過屋頂瓦片之間或稠密樹葉之間的孔隙，在地面上出現的依然是圓形光斑，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 如上面說的太陽經瓦片間或樹葉間的大孔隙也可成像。這是由于發光體離孔很遠，雖然孔較大，但相較于發光體到孔的距離還是很小的，發光體上各發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，光斑亮度從而降低；雖然各發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。若孔小到使光出現了明顯的衍射現象而不再是直線傳播的話，各發光點就不能在光屏上確定的位置成像，屏上便呈現不出整個物體的像。

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，調整高度，使燭焰，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，我們得出以下結論：

1、當物體與小孔距離一定時，移動光屏，光屏越遠，像越大。

2、當光屏與小孔距離一定時，移動物體，物體越遠，像越小。

3、當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：“發光體上各發光點發出的光束沿直線經孔到達光屏上，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”。從以上的實驗結果，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論，這便是小孔成像這一物理模型之含義。