探究小孔成像的几个问题|小孔成像原理

　　摘 要：文章通过实验并结合日常生活中的实例，对“小孔成像”这一众所周知的物理现象中的成像原理、小孔影响成像因素及相对性质进行了阐述。　　关键词：小孔；成像原理；探究
　　中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2012）17-271-01
　　早在公元前四世纪成书的《墨经》中就记载了小孔成像的实验，小孔成像，这是众所周知的，但并非人人理解这一物理现象。下面从几个方面对小孔成像进行探究。
　　一、对“成像原理”的理解
　　早在春秋战国时期，我国杰出的科学家墨翟便和他的学生做了第一个有关“小孔成像”的实验。当时，他们在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。这便是我国最早关于小孔成像的传说。
　　到了十四世纪中叶，元代天文数学家赵友钦在他所著的《革象新书》中进一步详细地考察了日光通过墙上孔隙所形成的像和孔隙之间的关系。通过更加完备的实验，他得出当孔相当小的时候，不管孔的形状怎样，所成的像是光源的倒立像，这时孔的大小只不过和像的明暗程度有关，不改变像的形状。当孔相当大的时候，所得到的像就是孔的正立像。
　　经过千百年来，各位先辈的反复实验，最终人们得出小孔成像是由于光的直线传播形成的。如何理解这一说法呢？我们知道，一个发光体（或反射光的物体）可看成由无数发光点组成。由于光是沿直线传播的，各发光点发出的光束经小孔射到光屏上，形成一个小光斑，即为发光点的像，如果孔足够小，各发光点在光屏上形成的光斑不会明显重叠，即个发光点的像没有明显重叠，从而呈现出整个物体清晰的像，这便是小孔成像的实质。它是理解小孔成像问题的关键和依据。
　　二、对“小孔”的理解
　　1、所谓“小孔”，孔要小到什么程度方可成像呢 实验表明，当发光体、孔、光屏三者位置一定时，不断增加孔的大小，我们将在光屏上看到这样的现象：像由清晰逐渐变得模糊，直至看不到像而只能见到孔状的光斑。这是因为，当三者的位置一定时，孔越大，各发光点的光束在屏上形成的光斑越大，而光斑的重叠程度越高。只要孔小到能使发光体的各发光点在屏上的像不明显重叠，就能使整个物体成像。
　　2、小孔是否必须是圆形的 由小孔成像原理可知，小孔只起限制光束的作用，以保证各发光点在屏上的像不明显重叠，而小孔的形状对此没有任何影响。我们经常看到，太阳光经过屋顶瓦片之间或稠密树叶之间的孔隙，在地面上出现的依然是圆形光斑，而这光斑便是太阳的像。但是，众所周知，瓦片间或树叶间的孔隙一般不是圆形，这便是最好的例证。
　　3、有时尺寸很大的孔为什么也能成像 如上面说的太阳经瓦片间或树叶间的大孔隙也可成像。这是由于发光体离孔很远，虽然孔较大，但相较于发光体到孔的距离还是很小的，发光体上各发光点的像重叠不明显，从而通过“大孔”的像依然很清晰。
　　4、孔太小为什么又不能成像 由于孔越小，通过的光束也就越细，光斑亮度从而降低；虽然各发光点的像重叠程度较低，屏上有物体的像，但像的可见度随之将低，以致看不清楚。若孔小到使光出现了明显的衍射现象而不再是直线传播的话，各发光点就不能在光屏上确定的位置成像，屏上便呈现不出整个物体的像。
　　三、对“成像大小”的理解
　　小孔成像：成一个倒立的实像，而像的大小与哪些因素有关呢？接下来，我们将用一个实验对此进行探究。
　　我们用到的实验器材有：蜡烛，小孔屏，光屏，光具座，火柴。将蜡烛，小孔屏与光屏依次放在光具座上，调整高度，使烛焰，小孔，光屏中心大致处于同一高度。接着，通过控制变量的方法依次进行实验。从而，我们得出以下结论：
　　1、当物体与小孔距离一定时，移动光屏，光屏越远，像越大。
　　2、当光屏与小孔距离一定时，移动物体，物体越远，像越小。
　　3、当物体和小孔的距离与光屏到小孔的距离相等时，像的大小与物体的大小相等。
　　综上所述，小孔的“小”是相对的，没有确定的尺寸限制，也不受几何形状的限制，但要受物理条件限制。这条件就是：“发光体上各发光点发出的光束沿直线经孔到达光屏上，在确定位置形成像点，且各像点无明显重叠。小孔成像是倒立的实像，像的大小与物体到小孔的距离和光屏到小孔的距离有关”。从以上的实验结果，得出了小孔的像和光源的形状相同、大孔的像和孔的形状相同的结论，这便是小孔成像这一物理模型之含义。