小孔成像 观察日食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.这种现象反映了光线直线传播的性质.
演示方法
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.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,像大而明亮；当白纸慢慢远离小孔的时候,像慢慢变小,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
【实验方法】
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.
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.
如左图所示(显示不了),当孔比较小的时候,物的不同部分发出的光线也到达像的不同的部分,所以物的不同部分发出的光线不会重叠,所以像就会比较清晰,比如物的C处发出的光线就不会到达B处,所以也就不会发生物的C处发出的光线与物的A处发出的光线的重叠,所以B处的像就比较清晰；而一旦孔大到一定程度,物的不同部分发出的光线就会在像处发生重叠,像自然也就不清晰了,比如说物的C处发出的光线就会与物的A处发出的光线重叠于B处,这样B处的像就不知道是谁的像了,自然像也就不清晰了.所以板及小孔相当于一个分解器,将来自物的不同部分的光线分解了,所以也就成像了.我们在日常生活中所以在面对物的一张白纸上看不到像,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,所以我们的眼睛无法看到物的像.而一旦我们用透镜或小孔将来自物的光线投射到白纸的不同的部分,那么物的像就显现出来了.当然大小是相对的,这个孔的大小是相对于物的大小说的,如果物很大,那么就是孔比较大,也还是可以成像的.只是孔越小,成的像的分辨率越高.当然如果孔太小,那么通过的光线就会少,像也就未必有足够的亮度了.而且孔太小还会发生衍射什么的,这也会对成像有影响.
孔的大小是相对的其实在小孔成像中的孔的大小是于物来说的,物大则孔可以大,物小则孔必须小.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,当然这里面有一个屏幕与孔的距离的问题,如果孔的大小一定,孔与物的距离也一定,那么屏幕距离孔越远,所成的像在理论上的分辨率也就越高.当然在这样的情形下,分辨率的极限是孔的大小,也就说被成像的物上的比孔小细节也就无法分辨清楚了.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.
如果我们用Φ代表可分辨的物的最小结构,而u代表物距,v代表屏幕与小孔的距离(像距),φ代表小孔的直径.
其成像的公式就是：
φ/Φ=(u+v)/v (1)
整理(1)式后可以得到：
Φ/φ-1=u/v (2)
由(2)式可以看出,
当u、φ一定,v趋向无限大的时候,φ/Φ趋向于1,所以只有当像距无限大的时候,像才会达到最大的分辨率.v越小,则分辨率越低,当为v接近为零的时候,像就无法成像了,这也就成了一个世俗所说光斑了.