树荫下的实验

熊峥

树荫是我们生活中非常熟悉的事物，尤其是在夏天，人们都喜欢享受树荫下的凉爽。晴朗的午后，在树荫下的地面上，一个个大大小小光斑明暗斑驳交错。我发现这些光斑看似边缘大都是圆弧形状的，但大小和明亮程度完全不同，而且在同一个位置的光斑亮度也存在差异。这引起了我的注意，于是在树荫下进行了一系列有趣的实验。

我们一般认为树荫下的光斑是由于树叶遮挡阳光，阳光透过树叶的缝隙直接漏射形成的，那么为什么形状却和树叶之间的缝隙不同，而且轮廓都是圆形的呢？经查阅资料得知，地面上的光斑是太阳的像，是“小孔成像”原理的体现。已知太阳和地球之间的距离平均值为14960万千米，而树叶之间的空隙很小，通常只有几厘米，就好像一个小孔。如果小孔可以成像，那么大孔能不能成像呢？树叶之间的缝隙并不是圆形的，但是地面上的光斑却都是圆形的，是不是说明小孔的形状和成像没有关系呢？我决定通过实验来解决这些问题。

实验材料

带插头的电线两条、开关两个、白炽灯灯座一个、25瓦白炽灯泡一个、小型日光灯灯管一支、厚纸板若干。

实验准备

把电线、开关、灯座、灯泡组合连接成一套光源。

问题1：光斑真的是太阳的像吗？

在厚纸板上剪出一个直径3mm的圆形小孔，用白炽灯作为光源，将白色的墙面作为“光屏”。我请爸爸帮忙拿着白炽灯，我拿着带有小孔的纸板，使得白炽灯和纸板在同一高度并在同一条直线上。在爸爸位置不动的情况下，我前后移动纸板，调整光源、小孔、光屏之间的距离。最终发现，在厚纸板上能够清晰地看到灯丝呈现“C”的形状，转动灯泡时，纸片上的“C”也会随着转动。另外，这个图形和灯丝的实际形状总是对应相反的。实验结果证明：小孔确实能够成像，而且像是倒立的，这个像来自白炽灯。同理，阳光到达地面，形成了太阳的像。

问题2：大孔能够成像吗？

在另一片厚纸板上刻画出直径2cm的大孔，同样采用上面的方法開展实验。用白炽灯作为光源，将白色的墙面作为接收光线的平面。爸爸拿着白炽灯，我拿着带有小孔的纸板，使得白炽灯和纸板在同一高度并在同一条直线上。当我从靠近爸爸到逐步向墙面移动的过程中，墙面上会先出现比较清晰的灯丝的形状，随后慢慢虚化，最后变成大孔的形状。这说明大孔也能够成像，不过要求光屏距离大孔比较远，否则只能显示孔的形状。

接着我和爸爸一起设计了如图所示的光线承接方案。用硬纸板先完全挡住平面镜镜面，然后从右向左逐渐让镜面显露出来，我发现平面镜镜面露出的部分变得非常细小的时候，近处的光屏上却出现了圆形的光斑，也就是太阳的像，只不过这个时候像的亮度比较低。随着硬纸板的移动，光屏也相对向后移动，直到最后，光屏上始终有一个圆形的像，同时亮度会随着镜面的显露慢慢增强。这同样说明大孔也是可以成像的。

问题3：小孔的形状会不会影响像的形状？

在纸板上刻画出边长为2mm的三角形孔，用白炽灯作为光源，使得光源通过三角形孔，投射到地面上的白色纸板上。实验发现，无论小孔或者光源怎样移动，纸片上都只能看到“C”状影像，如果转动灯泡，纸片上的“C”也会随着转动。同样，地面上像的形状和灯丝的实际形状总是对应相反的。这说明只要物体、小孔和光屏之间的距离合适，小孔成像的结果是不会改变的，也就是说小孔的形状和成像没有关系。

看来生活中处处有科学，只要我们细心观察，总能发现有趣的问题。科学也一点都不深奥，那些看似复杂的道理，其实就在我们身边。