用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间,屏幕上就会形成物的倒像,我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板,像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光沿直线传播的性质。
演示
把一支削得很尖的铅笔,在一张硬纸片的中心部分扎一个 小孔,观察日食。孔的直径约三毫米左右。设法把它直立在桌子上。然后拉上窗帘,使室内的光线变暗。
点上一支蜡烛,放在靠近小孔的地方。拿一张白纸,把它放在小孔的另一面。这样,你就会在白纸上看到一个倒立的烛焰。我们称它是蜡烛的像。前后移动白纸,瞧瞧烛焰的像有什么变化。当白纸离小孔比较近的时候,像小而明亮;当白纸慢慢远离小孔的时候,像慢慢变大,亮度变暗。
改变小孔的大小,我们再来观察蜡烛的像有哪些变化。
你可以在硬纸片上,扎几个大小不等、形状不同的孔,孔和孔之间相距几厘米。这时候在白纸上,就出现了好几个和小孔相对应的倒像。它们的大小都一样,但是清晰程度不同,孔越大,像越不清楚。孔只要够小,它的形状不论是方的、圆的、扁圆的,对像的清晰程度和像的形状都没有影响。
实验
1.放好蜡烛、小孔屏和毛玻璃屏。点燃蜡烛,调整蜡烛和屏的高度,使蜡烛的火焰、小孔和毛玻璃屏的中心大致在一条直线上。蜡烛和小孔屏的距离不宜过大。调整后,可以在毛玻璃屏上看到蜡烛火焰倒立的实像。
2.移动蜡烛或毛玻璃屏的位置,可以看到,蜡烛距小孔越近或毛玻璃屏距小孔越远,得到的像越大。
第二种:剪去易拉罐的上部,蒙上一层塑料膜,在罐底钻一个小洞。将小洞向外对着发光物体,即可在塑料膜上得到倒立的像。
问题解释
这个实验至少向我们提出了三个问题:小孔成的像为什么是倒立的?像的大小和哪些因素有关?像的清
晰程度和哪些因素有关?
为了说明这些问题,我们把蜡烛的火焰看成是由许多小发光点组成的,每个发光点都向四面八方发射着光。总会有一小束光,笔直地穿过小孔,在白纸上形成一个小光斑。烛焰上的每一个发光点都会在白纸上形成一个对应的光斑,全部光斑在白纸上就组成了一个烛焰的像。
从图中可以看出,烛焰上部发的光沿直线通过小孔,照在白纸的下部;烛焰下部发出的光,通过小孔,照在白纸的上部,所以在白纸上形成一个倒立的像。这正好说明了光是直线传播的。
当孔比较小的时候,物的不同部分发出的光线会到达屏幕的不同的部分,而不会在屏幕上相互重叠,所以屏幕上的像就会比较清晰。如左图所示(点击图可以放大),由于孔比较小,物的A处发出的光线就不会到达屏幕的C处,只有物的B处发出的光线才会到达屏幕的C处,屏幕上的C处的光线只来自物的B处,所以C处的像就会比较清晰。
当孔比较大的时候,物的不同部分发出的光线会在屏幕上重叠,屏幕上的像自然也就不清晰了。如图所示(点击图可以放大),如果孔相当大,那么物的A处发出的光线会到达屏幕的C处,而且B处的光线也会到达屏幕的C处,这样光线就会发生重叠,光信息就会发生混乱,也就无法成像了。我们在面对物的一张白纸上所以看不到像,不是因为白纸上没有来自于物的光线,而是因为来自于物的不同部分的光线在白纸上重叠了。
当然孔的大小是相对于物的大小来说的,如物很大,那么就是孔也比较大,也还是可以成像的。如果我们要成太阳的像,那么就是用足球场那么大的孔也不是不可以的,只是孔越小,成的像的分辨率越高。不过,如果孔太小,通过的光线就会少,像的亮度也就低了。而且孔太小还会发生衍射什么的,这也会对成像有影响。
所以,比孔小的物体或物体上的比孔小的部分是无法被成像的。如果我们用足球场那么大的孔对太阳成像,那么太阳上比足球场小的结构是不会成像出来的。