樹蔭下的實(shí)驗(yàn)

熊崢

樹蔭是我們生活中非常熟悉的事物，尤其是在夏天，人們都喜歡享受樹蔭下的涼爽。晴朗的午后，在樹蔭下的地面上，一個(gè)個(gè)大大小小光斑明暗斑駁交錯(cuò)。我發(fā)現(xiàn)這些光斑看似邊緣大都是圓弧形狀的，但大小和明亮程度完全不同，而且在同一個(gè)位置的光斑亮度也存在差異。這引起了我的注意，于是在樹蔭下進(jìn)行了一系列有趣的實(shí)驗(yàn)。

我們一般認(rèn)為樹蔭下的光斑是由于樹葉遮擋陽光，陽光透過樹葉的縫隙直接漏射形成的，那么為什么形狀卻和樹葉之間的縫隙不同，而且輪廓都是圓形的呢？經(jīng)查閱資料得知，地面上的光斑是太陽的像，是“小孔成像”原理的體現(xiàn)。已知太陽和地球之間的距離平均值為14960萬千米，而樹葉之間的空隙很小，通常只有幾厘米，就好像一個(gè)小孔。如果小孔可以成像，那么大孔能不能成像呢？樹葉之間的縫隙并不是圓形的，但是地面上的光斑卻都是圓形的，是不是說明小孔的形狀和成像沒有關(guān)系呢？我決定通過實(shí)驗(yàn)來解決這些問題。

實(shí)驗(yàn)材料

帶插頭的電線兩條、開關(guān)兩個(gè)、白熾燈燈座一個(gè)、25瓦白熾燈泡一個(gè)、小型日光燈燈管一支、厚紙板若干。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

把電線、開關(guān)、燈座、燈泡組合連接成一套光源。

問題1：光斑真的是太陽的像嗎？

在厚紙板上剪出一個(gè)直徑3mm的圓形小孔，用白熾燈作為光源，將白色的墻面作為“光屏”。我請(qǐng)爸爸幫忙拿著白熾燈，我拿著帶有小孔的紙板，使得白熾燈和紙板在同一高度并在同一條直線上。在爸爸位置不動(dòng)的情況下，我前后移動(dòng)紙板，調(diào)整光源、小孔、光屏之間的距離。最終發(fā)現(xiàn)，在厚紙板上能夠清晰地看到燈絲呈現(xiàn)“C”的形狀，轉(zhuǎn)動(dòng)燈泡時(shí)，紙片上的“C”也會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，這個(gè)圖形和燈絲的實(shí)際形狀總是對(duì)應(yīng)相反的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：小孔確實(shí)能夠成像，而且像是倒立的，這個(gè)像來自白熾燈。同理，陽光到達(dá)地面，形成了太陽的像。

問題2：大孔能夠成像嗎？

在另一片厚紙板上刻畫出直徑2cm的大孔，同樣采用上面的方法開展實(shí)驗(yàn)。用白熾燈作為光源，將白色的墻面作為接收光線的平面。爸爸拿著白熾燈，我拿著帶有小孔的紙板，使得白熾燈和紙板在同一高度并在同一條直線上。當(dāng)我從靠近爸爸到逐步向墻面移動(dòng)的過程中，墻面上會(huì)先出現(xiàn)比較清晰的燈絲的形狀，隨后慢慢虛化，最后變成大孔的形狀。這說明大孔也能夠成像，不過要求光屏距離大孔比較遠(yuǎn)，否則只能顯示孔的形狀。

接著我和爸爸一起設(shè)計(jì)了如圖所示的光線承接方案。用硬紙板先完全擋住平面鏡鏡面，然后從右向左逐漸讓鏡面顯露出來，我發(fā)現(xiàn)平面鏡鏡面露出的部分變得非常細(xì)小的時(shí)候，近處的光屏上卻出現(xiàn)了圓形的光斑，也就是太陽的像，只不過這個(gè)時(shí)候像的亮度比較低。隨著硬紙板的移動(dòng)，光屏也相對(duì)向后移動(dòng)，直到最后，光屏上始終有一個(gè)圓形的像，同時(shí)亮度會(huì)隨著鏡面的顯露慢慢增強(qiáng)。這同樣說明大孔也是可以成像的。

問題3：小孔的形狀會(huì)不會(huì)影響像的形狀？

在紙板上刻畫出邊長(zhǎng)為2mm的三角形孔，用白熾燈作為光源，使得光源通過三角形孔，投射到地面上的白色紙板上。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論小孔或者光源怎樣移動(dòng)，紙片上都只能看到“C”狀影像，如果轉(zhuǎn)動(dòng)燈泡，紙片上的“C”也會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，地面上像的形狀和燈絲的實(shí)際形狀總是對(duì)應(yīng)相反的。這說明只要物體、小孔和光屏之間的距離合適，小孔成像的結(jié)果是不會(huì)改變的，也就是說小孔的形狀和成像沒有關(guān)系。

看來生活中處處有科學(xué)，只要我們細(xì)心觀察，總能發(fā)現(xiàn)有趣的問題。科學(xué)也一點(diǎn)都不深?yuàn)W，那些看似復(fù)雜的道理，其實(shí)就在我們身邊。