探究小孔成像的奥秘

宋昱

1 提出问题

光现象中小孔能否成像？小孔成的是什么像？小孔成像，多大的孔就不能成像呢？小孔成像与小孔形状是否有关系？小孔成像为什么有时大有时小？小孔成像的特点是什么？小孔为什么能够成像？由许多小孔构成网孔能否成像？

2 实验探究

教师通过引导学生先阅读教材，与学生分析、思考，然后用实验来充分的探究所想到的问题和猜想。针对学生的疑问，可以归纳分类设计出以下几套实验探究方案，并由学生分组完成探究课题。

2.1 小孔和大孔是否都能成像

2.1.1 实验原理

在纸片上裁剪出不同大小的圆孔，观察成像情况。

2.1.2 实验器材

蜡烛、火柴、光屏、刻度尺、圆规、剪刀、清洁的包装纸等。

2.1.3 实验过程

（1）剪出不同孔径的小孔，具体数据见表1。（2）进行探究实验并观察记录实验现象，见表2。

2.1.4 买验分析

小孔能够成像，但在实验中用烛焰1作光源，孔径在6mm以上时，基本不能成像。这是由于大孔是由许多小孔组成的，每一个小孔在同一个大致区域成像且不能重合，所成的像连在一起形成一个光斑。在实验中发现，用不同大小的烛焰效果不相同，说明烛焰大小与孔的大小有一定比例关系，即小孔直径最大不能超过物体的十分之一时，可以成像；小孔直径为物体的1/20时，成像较清晰。

2.2 孔的形状与成像的关系

2.2.1 实验原理

将小孔设计成不同的形状通过光屏来观察不同的孔所成的像是否相同。

2.2.2 实验器材

焙烛、火柴、纸片、小刀、剪刀、三角板、圆规、光屏。盖好矿泉水瓶塞后，向矿泉水瓶的中下部用注射器注入浓氨水（可用透明胶密封针孔处），观察现象。

3.6.4 实验现象

矿泉水瓶内的“白星星”在1 min内慢慢变成了“红色的五角星”。

3.6.5 实验结论

分子在不断的运动。

4 综述

这样改进以后实验现象更明显、实验过程实现了绿色化，整个过程中没有氨气逸出，废气处理得当。实验将微观看不见的分子运动转变为肉眼可见的变化，能被学生的感官所感知，从而认识到物质微粒是不断运动的这样一个基本原理。

2.2.3 实验过程

（1）制作不同孔形的卡片，具体数据见表3。

（2）进行探究实验并观察记录实验现象，见表4。

2.2.4 实验分析

小孔成像与孔的形状无关，成像性质仅与物体有关，不会因孔的形状不同而发生形状的变化。

2.3 小孔成像的性质

2.3.1 实验原理

利用几何知识分析在小孔成像中，像的大小与物体大小的关系，像的位置与物体的关系及像的虚实情况，如图1所示。

2.3.2 实验器材

焙烛、火柴、米尺、光屏、刻度尺等。

2.3.3 实验过程

将蜡烛位置固定在距小孔20 cm处，在小孔另一侧30 cm、20 cm、10 cm处利用光屏分别得到蜡烛的像，观察所成的像，并记录实验结果。

2.3.4 实验结果

实验结果见表5。

2.3.5 实验分析

小孔成像时，所成的像是倒立的实像。当像距大于物距时，成放大的像；当像距等于物距时，成等大的像；当像距小于物距时，成缩小的像。

2.4 研究孔的个数与成像关系

2.4.1 实验原理

用不同个数的小孔，排列成不同的形状，用光屏来观察孔网能否成像，应用几何的作图法可确定像的位置、个数。

2.4.2 实验器材

焟烛、火柴、小铁钉、光屏、刻度尺、纸片等。

2.4.3 实验过程

（1）在4张纸片上分别扎出不同的孔网形状（间距1～2 mm），具体形状见表6。

（2）进行实验探究并记录实验结果，具体结果见表7。

2.4.4 买验分析

由多个孔网形成的孔是能够成像的，成像性质与一个孔一样，但二者并不完全相同。就孔网中的每一个孔而言，成像是相同的，每个小孔成一个倒立的实像，但由于孔网位置不同，根据几何知识，成像观察到的效果不同，见表格记载。由于烛焰的长度关系，在竖直方向上可能产生叠加，使成像个数发生变化。

3 综述

在小孔成像的实验中，值得探究的内容很多，因为物体的大小、形状，小孔的大小形状，物体与小孔的距离，像与小孔的距离，以及有没有自然光都会影响到实验结果的准确判断。在这一实验中，定性探究的成像性质相对容易些，而定量探究的孔形、孔数、孔的大小则有极大的探究空间，但其光的直线传播原理、几何分析方法、相似等概念的应用，则是这一个探究实验中起决定作用的因素，要把应用数学知识解释物体问题的思想贯穿于实验探究的始终。endprint