“小孔成像”之我見(jiàn)

韋強(qiáng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1672-1578（2017）12-0193-01

小孔成像作為大家所熟知的一種光學(xué)現(xiàn)象，是光直線傳播的有力依據(jù)。但"小孔成像"的"像"到底是什么，這一直是一個(gè)很有爭(zhēng)議的問(wèn)題，不少人認(rèn)為："小孔成像"的"像"本不是像，而是影。就此我來(lái)談?wù)剛€(gè)人的觀點(diǎn)。

我認(rèn)為"小孔成像"成的是像，理由有三點(diǎn)：

第一，母國(guó)光等所編的《光學(xué)》中對(duì)于像的概念是這樣定義的："自物點(diǎn)發(fā)出的光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，若仍保持為單心光束，則這個(gè)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后的光束的心稱(chēng)為光學(xué)系統(tǒng)對(duì)該物點(diǎn)成的像點(diǎn)"。由于由物點(diǎn)發(fā)出的光在空間呈輻射狀，它們經(jīng)小孔后不可能會(huì)聚，亦即經(jīng)小孔后的光束并非是單心光束。但由于小孔對(duì)光束有限制作用，若小孔很小，則通過(guò)小孔的光束也就很細(xì)，且通常物點(diǎn)與小孔間的距離較大，故通過(guò)小孔的細(xì)光束的發(fā)散程度也就很小，該光束在屏上形成的光斑當(dāng)然也就很小，以至于可近似看作是像點(diǎn)。[1]

第二，《辭?！分嘘P(guān)于"像"的定義："從物體發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)光具組（透鏡、鏡、棱鏡或它們的組合）所形成的與原物相似的圖景"，這里對(duì)"光具組"的舉例說(shuō)明中盡管未明確列出具有特殊性的小孔的情況，但應(yīng)當(dāng)看到，《辭海》中在"像"條目次頁(yè)的"光具組"條目中便指出光具組也包括光闌（對(duì)光束起限制作用的孔）等在內(nèi)。而在"光闌"的條目中則進(jìn)一步明確指出"光闌"是光學(xué)儀器（光具組）的一種元件。而當(dāng)光闌很小的時(shí)候不就是小孔嗎？因此我認(rèn)為，《辭?！分嘘P(guān)于"像"的定義來(lái)看，"小孔成像"成的是像。[1]

第三，大約2400年前，我國(guó)杰出的科學(xué)家墨翟和他的學(xué)生做了世界上第一個(gè)小孔成倒像的實(shí)驗(yàn)：在一間黑暗的小屋朝陽(yáng)的墻上開(kāi)一個(gè)小孔，人對(duì)著小孔站在屋外，屋里相對(duì)的墻上就出現(xiàn)了一個(gè)倒立的人影。墨翟用光的直線傳播解釋了小孔成倒像的原理：光穿過(guò)小孔如射箭一樣，是直線行進(jìn)的，人的頭部被遮住了上面的光，成像在下邊，人的足部被遮住了下面的光，成像在上邊，就形成了倒立的像。從墨翟對(duì)"小孔成像"成像原理解釋中，可以看出"小孔成像"成的是像。[2]

以上三點(diǎn)足以說(shuō)明了"小孔成像"成的是像，至于是不是"影"呢？我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下"影"的定義：光在直線傳播過(guò)程中，遇到不透明的物體，在光不能到達(dá)的區(qū)域形成的陰影區(qū)部分叫做影子，簡(jiǎn)稱(chēng)為"影"，如生活中手影、皮影。通過(guò)小孔所成的像是很細(xì)的光束在屏上形成的光斑，顯然不是"影"。另外，從反映的對(duì)象來(lái)看，影是反映不透明的遮光體的情況，像是反映發(fā)光體的情況；從反映的情況看，影只是大致地反映遮光體的輪廓，輪廓以?xún)?nèi)便無(wú)層次可言，而像卻可形象而具體地再現(xiàn)發(fā)光體的表面情況（如起伏性、光潔度及色彩）及人物的表情、神態(tài)等。通過(guò)小孔成像獲得的人的像，不但可看到人的輪廓情況，甚至還可以看清人物的面部表情，這和影的輪廓以?xún)?nèi)盡是黑暗區(qū)域的情況是有本質(zhì)區(qū)別的。僅此即可說(shuō)明小孔成像的"像"是像而不是影。[1]

但是，"小孔成像"成的"像"與通過(guò)光具組所成的像是不可混同的。

第一，兩者的成因不同。圖1表示的是光點(diǎn)A發(fā)出的光通過(guò)凸透鏡形成實(shí)像點(diǎn)A'?？梢钥闯?，在不考慮像差的理想條件下，光點(diǎn)發(fā)出的是同心發(fā)散光束，形成實(shí)像點(diǎn)的是同心會(huì)聚光束。在可以顯現(xiàn)"小孔成像"的情況下，小孔相對(duì)于光點(diǎn)是足夠大的（否則，將會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象），如圖2所示，光點(diǎn)B發(fā)出的光通過(guò)小孔后仍是一細(xì)光束，光的傳播方向不會(huì)改變，因而投射到小孔右方屏上的是發(fā)散光束。

第二，兩者的位置不同。理想像點(diǎn)的位置是唯一的（每個(gè)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)物點(diǎn)），像圖1那樣形成實(shí)像時(shí)，光屏只有位于透鏡右方光束的會(huì)聚點(diǎn)A'，無(wú)論是向右移還是向左移，顯現(xiàn)的圖像都會(huì)變大，而且都會(huì)變得模糊不清。在圖2中，"像"的位置是不確定的，光屏離小孔遠(yuǎn)點(diǎn)近點(diǎn)，都會(huì)顯現(xiàn)相似形狀的圖像，只不過(guò)是光屏越靠近小孔，圖像愈小愈明亮。

第三，撤去圖1中的光屏，眼睛在A'的右方注視左方，接收到的光束猶如從A'發(fā)出，因而會(huì)看到光點(diǎn)A似在A'的位置上。若眼睛在圖2中小孔的右方向左看，接收到的光束仍然是從B點(diǎn)發(fā)出的而不是從小孔右方放置光屏處發(fā)出的，因而看到的光點(diǎn)B沒(méi)有改變位置。[3]

由此可見(jiàn)，"小孔成像"成的是"像"，而不是"影"。但同時(shí)我們也要看到"小孔成像"成的"像"和光具組成的"像"是有區(qū)別的。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫大君，也談"小孔成像"的"像"，物理教師，1993（3），29。

[2]蘇科版物理教材編寫(xiě)組，物理八年級(jí)上教師教學(xué)用書(shū)，2016年，111。

[3]席桑田，小孔成像成的是像嗎？物理教師，2004（7），35