探究小孔成像的奧秘

宋昱

1 提出問題

光現(xiàn)象中小孔能否成像？小孔成的是什么像？小孔成像，多大的孔就不能成像呢？小孔成像與小孔形狀是否有關(guān)系？小孔成像為什么有時(shí)大有時(shí)小？小孔成像的特點(diǎn)是什么？小孔為什么能夠成像？由許多小孔構(gòu)成網(wǎng)孔能否成像？

2 實(shí)驗(yàn)探究

教師通過引導(dǎo)學(xué)生先閱讀教材，與學(xué)生分析、思考，然后用實(shí)驗(yàn)來充分的探究所想到的問題和猜想。針對學(xué)生的疑問，可以歸納分類設(shè)計(jì)出以下幾套實(shí)驗(yàn)探究方案，并由學(xué)生分組完成探究課題。

2.1 小孔和大孔是否都能成像

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在紙片上裁剪出不同大小的圓孔，觀察成像情況。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)器材

蠟燭、火柴、光屏、刻度尺、圓規(guī)、剪刀、清潔的包裝紙等。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）剪出不同孔徑的小孔，具體數(shù)據(jù)見表1。（2）進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)并觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，見表2。

2.1.4 買驗(yàn)分析

小孔能夠成像，但在實(shí)驗(yàn)中用燭焰1作光源，孔徑在6mm以上時(shí)，基本不能成像。這是由于大孔是由許多小孔組成的，每一個(gè)小孔在同一個(gè)大致區(qū)域成像且不能重合，所成的像連在一起形成一個(gè)光斑。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用不同大小的燭焰效果不相同，說明燭焰大小與孔的大小有一定比例關(guān)系，即小孔直徑最大不能超過物體的十分之一時(shí)，可以成像；小孔直徑為物體的1/20時(shí)，成像較清晰。

2.2 孔的形狀與成像的關(guān)系

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

將小孔設(shè)計(jì)成不同的形狀通過光屏來觀察不同的孔所成的像是否相同。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)器材

焙燭、火柴、紙片、小刀、剪刀、三角板、圓規(guī)、光屏。蓋好礦泉水瓶塞后，向礦泉水瓶的中下部用注射器注入濃氨水（可用透明膠密封針孔處），觀察現(xiàn)象。

3.6.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

礦泉水瓶內(nèi)的“白星星”在1 min內(nèi)慢慢變成了“紅色的五角星”。

3.6.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

分子在不斷的運(yùn)動(dòng)。

4 綜述

這樣改進(jìn)以后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了綠色化，整個(gè)過程中沒有氨氣逸出，廢氣處理得當(dāng)。實(shí)驗(yàn)將微觀看不見的分子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿庋劭梢姷淖兓鼙粚W(xué)生的感官所感知，從而認(rèn)識(shí)到物質(zhì)微粒是不斷運(yùn)動(dòng)的這樣一個(gè)基本原理。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）制作不同孔形的卡片，具體數(shù)據(jù)見表3。

（2）進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)并觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，見表4。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)分析

小孔成像與孔的形狀無關(guān)，成像性質(zhì)僅與物體有關(guān)，不會(huì)因孔的形狀不同而發(fā)生形狀的變化。

2.3 小孔成像的性質(zhì)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理

利用幾何知識(shí)分析在小孔成像中，像的大小與物體大小的關(guān)系，像的位置與物體的關(guān)系及像的虛實(shí)情況，如圖1所示。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)器材

焙燭、火柴、米尺、光屏、刻度尺等。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)過程

將蠟燭位置固定在距小孔20 cm處，在小孔另一側(cè)30 cm、20 cm、10 cm處利用光屏分別得到蠟燭的像，觀察所成的像，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.3.5 實(shí)驗(yàn)分析

小孔成像時(shí)，所成的像是倒立的實(shí)像。當(dāng)像距大于物距時(shí)，成放大的像；當(dāng)像距等于物距時(shí)，成等大的像；當(dāng)像距小于物距時(shí)，成縮小的像。

2.4 研究孔的個(gè)數(shù)與成像關(guān)系

2.4.1 實(shí)驗(yàn)原理

用不同個(gè)數(shù)的小孔，排列成不同的形狀，用光屏來觀察孔網(wǎng)能否成像，應(yīng)用幾何的作圖法可確定像的位置、個(gè)數(shù)。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)器材

焟燭、火柴、小鐵釘、光屏、刻度尺、紙片等。

2.4.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）在4張紙片上分別扎出不同的孔網(wǎng)形狀（間距1～2 mm），具體形狀見表6。

（2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體結(jié)果見表7。

2.4.4 買驗(yàn)分析

由多個(gè)孔網(wǎng)形成的孔是能夠成像的，成像性質(zhì)與一個(gè)孔一樣，但二者并不完全相同。就孔網(wǎng)中的每一個(gè)孔而言，成像是相同的，每個(gè)小孔成一個(gè)倒立的實(shí)像，但由于孔網(wǎng)位置不同，根據(jù)幾何知識(shí)，成像觀察到的效果不同，見表格記載。由于燭焰的長度關(guān)系，在豎直方向上可能產(chǎn)生疊加，使成像個(gè)數(shù)發(fā)生變化。

3 綜述

在小孔成像的實(shí)驗(yàn)中，值得探究的內(nèi)容很多，因?yàn)槲矬w的大小、形狀，小孔的大小形狀，物體與小孔的距離，像與小孔的距離，以及有沒有自然光都會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確判斷。在這一實(shí)驗(yàn)中，定性探究的成像性質(zhì)相對容易些，而定量探究的孔形、孔數(shù)、孔的大小則有極大的探究空間，但其光的直線傳播原理、幾何分析方法、相似等概念的應(yīng)用，則是這一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中起決定作用的因素，要把應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解釋物體問題的思想貫穿于實(shí)驗(yàn)探究的始終。endprint