“小孔成像”一定與小孔的形狀無關嗎?

摘 要：本文從“探究樹蔭下的光斑”綜合實踐活動出發，通過提出猜想、設計方案、實驗探究得出影響樹蔭下光斑的幾個因素.為了進一步探究像與物的位置關系，用英文字母“F”作為連續發光體進行實驗，由于物體的尺寸相對小孔而言較大，像的形狀與物體的形狀相似，與小孔的形狀無關;用LED燈組成字母“F”，由于是不連續發光體，每一個LED燈的尺寸相對小孔而言較小，光斑的形狀與小孔的形狀相似，若干個光斑組成了物體的像.

關鍵詞：連續發光體;不連續發光體;像;光斑

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）04-0038-02

作者簡介：劉友余（1966-），男，江蘇鹽城人，本科，中學正高級教師，研究方向：物理實驗教學設計優化和物理解題研究.

1 活動回顧

蘇科版物理八年級上冊第三章光現象中，學習了光沿直線傳播后，安排了“探究樹蔭下的光斑”綜合實踐活動.

晴天的正午，從樹蔭下走過，會看到地面上有一些光斑，如圖1所示.仔細觀察可以發現，有些光斑形狀不規則，還有一些光斑是圓形的，這些圓形的光斑亮度較暗.地面上的光斑為什么會有不同的形狀？較小的圓形光斑為什么亮度較暗？

1.1 提出猜想

由于光斑是太陽光透過樹葉間的縫隙照在地面上形成的，所以不規則形狀的光斑與樹葉間縫隙的形狀相同，屬于大孔成斑;較小較暗的圓形光斑是太陽的實像，由于樹葉間的縫隙較小，相當于小孔，屬于小孔成像.

1.2 設計方案

由于無法確定某個光斑是從哪一個縫隙透過的光照射到地面形成的，也看不清縫隙的形狀，因此需要進行控制變量以順利實驗.

具體做法是在紙片上打孔.在一張卡片紙上用小刀刻出正方形、三角形、菱形、圓形的小孔，孔的尺寸為1cm，如圖2所示.在另一張卡片紙上刻出一個尺寸為1cm的三角形小孔，如圖3所示.

1.3 實驗探究

（1）在地面上鋪一張白紙，把帶有四個孔的卡片置于白紙上方約1m的位置，讓太陽光垂直透過卡片上不同形狀的小孔，觀察到的實驗現象為紙面上出現的光斑的形狀與孔的形狀相同.

（2）將帶有三角形小孔的卡片置于白紙上方約1m的位置，用另一張卡片紙覆蓋在上面，并慢慢向左移動，隨著孔的不斷減小，觀察到紙面上出現的光斑由三角形變為圓形，且亮度變暗，說明光斑的形狀與孔的大小有關.

（3）把帶有四個孔的卡片漸漸遠離地面，觀察到紙面上出現的光斑都變為圓形，且變大變暗，說明光斑的形狀與孔到地面的距離有關.

1.4 得出結論

樹蔭下的光斑的形狀與樹葉間縫隙的形狀、縫隙的大小及縫隙到地面的距離有關.當樹葉間縫隙較大且離地面較近時，光斑的形狀與樹葉間縫隙的形狀相同;當樹葉間縫隙較小或離地面較遠時，光斑的形狀為圓形，屬于小孔成像，圓形光斑是太陽的實像，此時的光斑與縫隙的形狀無關.

為了進一步探究小孔成像時，像與物的位置關系，我們不妨用發光體“F”繼續實驗.

2 深入探究

先將手機亮度調成最大，借助智能手機QQ聊天工具，打成字母F字樣作為連續的發光體，將一個刻有尺寸約為2mm的三角形黑色塑料板放在中間，在毛玻璃光屏的后面觀看到如圖4所示的字母F.此時不難看出小孔所成的像與物相比，位置關系是上下左右都顛倒，像的形狀與物體的形狀相似，與小孔的形狀無關.

用LED燈做出一個不是連續發光的F，如圖5所示.仍將一個刻有尺寸約為2mm的三角形黑色塑料板放在中間，在毛玻璃光屏的后面觀看到字母的形狀.由于每一個LED燈的尺寸與小孔的尺寸差不多大，每個LED燈通過小孔在光屏所成的并不是像，而是與小孔形狀相同的光斑，若干個光斑組成了字母F的形狀.

根據上述實驗現象不難發現，物體通過小孔所成的像有兩種情況：一是連續發光物體的尺寸大于小孔的尺寸時，物體通過小孔所成的像與物體的形狀相似，與小孔的形狀無關;二是不連續發光體，當發光體部分的尺寸與小孔的尺寸差不多大時，發光體通過小孔并不成像，而是在光屏上成一個個與小孔形狀相似的光斑，若干個光斑（與LED燈個數相同）組成了不連續物體的像.

參考文獻：

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（收稿日期：2020-11-15）