小孔成像成的是“實像”嗎

陸夢嬌

[摘 要]小孔成像通常作為光的直線傳播的應用實例在課堂上被廣泛應用，蘇科版、人教版等多個版本的初中物理教科書也把小孔成像作為經典實驗保存下來。對于小孔成像現(xiàn)象，我們通常將像形容為倒立的實像。實像是由實際光線經光具組后會聚而成的。小孔成像時光線經過小孔是發(fā)散的，故將其形容為實像有待商榷。不如將燭焰看成是由無數個點光源匯合而成的，對每個點光源進行光路圖分析就能得到，小孔成的“像”是由無數個和小孔形狀類似的光斑重疊匯合而成的。

[關鍵詞]小孔成像;實像;光斑

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）35-0061-02

光的直線傳播是初中階段的重要知識點，其中小孔成像實驗制作成本低廉，現(xiàn)象明顯，通常作為光的直線傳播的應用實例在課堂課上被老師們廣泛應用。物理學習是一種情境化的學習，我們的課堂要使學生在情境中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，得到結論。筆者讓學生分組進行課外探索，然而學生分組實驗后記錄的實驗結果卻值得我們思考——小孔成的是“實像”嗎？

一、觀察小孔成像現(xiàn)象——提出問題

實驗：以太陽為光源，地面為光屏，觀察小孔成像現(xiàn)象。

現(xiàn)象：當距離地面很近時，出現(xiàn)和孔形狀一樣的光斑;當距離地面一定高度時，光斑的輪廓變得模糊;當與地面距離足夠遠時，小孔成像，出現(xiàn)圓形光斑，我們稱之為太陽的實像，不同小孔下圓形光斑大小不等（如圖1）。

分析：如圖1，上排的三個小孔較大，形成的光斑較大較亮。下排的小孔較小，形成的光斑也較小、較暗。實驗發(fā)現(xiàn)像的大小與小孔形狀有關，故提出問題

問題1：當光源（太陽）一定，光源與小孔距離相等，小孔與光屏（地面）距離相等時，出現(xiàn)的光斑為什么大小不相等？

問題2：當小孔逐漸靠近地面時，小孔成像現(xiàn)象逐漸消失;當小孔與地面很近時，出現(xiàn)了與小孔形狀類似的光斑（如圖2），為什么圓形光斑會消失？

根據光的直線傳播，小孔大小不等，能通過的光線范圍不等，能解釋問題1中出現(xiàn)的光斑大小不等。既然是實際光線穿過小孔到達光屏，減小小孔與光屏的距離，光屏仍被照亮，光屏上成的仍是實像，那為什么此時像的形狀與物不再相同或相似，此時的像還是實像嗎？

二、小孔成的是實像嗎

《辭?！穼嵪竦亩x是：物體發(fā)出的光線經光學系統(tǒng)（如凸面鏡、凸透鏡、透鏡組）反射或折射后，重新會聚而造成的與原物相似（放大或縮?。┑膱D景。

以凸透鏡成實像為例，分析與小孔成像的區(qū)別。其一，形成原因不同。實像是由實際光線經光具組后會聚而成（如圖3），以光源上一點[A]為點光源，其發(fā)出的是同心發(fā)散光束，經凸透鏡折射后光線會聚于[A']而成實像;當小孔成像時取一點光源，其發(fā)出的同心發(fā)散光束中有部分光線穿過小孔繼續(xù)傳播，傳播方向保持不變（如圖4），所以到達光屏上的光束仍是發(fā)散的，不滿足實像形成條件。其二，成像位置不同。理想情況下，實像點只有一個位置，光屏在凸透鏡另一側的[A']才能承接到最清晰的像，左移或右移光屏都會使像變大變模糊，而小孔成像時，光屏在另一側移動，光屏上的光斑會逐漸變大或逐漸變小，并沒有一個確切的像的位置。其三，造成圖景不同。凸透鏡成實像時，像始終能反應物的信息，成放大、縮小或等大的像。小孔成像時，當像距很小時，光斑變得和小孔形狀相似，不再反映出物的信息。

小孔成像時像的特點并不滿足實像的所有條件，雖然我們看見的光亮圖景也有倒立及能被光屏承接等實像的一些特點，但嚴格意義上來說，小孔成像成的并不是實像，那我們看見的“倒立的實像”是怎么形成的呢？

三、小孔成像的實質

首先考慮是否是虛像。實驗表明，物體經小孔所成的像，既能用光屏承接，也能使相機膠片感光（針孔照相機原理），所以一定不是虛像[1]。那小孔成像的實質究竟是什么呢？

取燭焰作為光源（如圖5），燭焰（未畫出）的上頂點為一點光源，其發(fā)出的同心發(fā)散光束經三角形小孔后在光屏上出現(xiàn)一細小的三角形光斑，即光屏上光亮區(qū)域的下部;燭焰的下頂點也為一點光源，同樣在光屏上出現(xiàn)一細小的三角形光斑，即我們在光屏上看見的光亮圖景的上部，由于小孔相對于燭焰來說很小，兩個光斑并不能重合，所以我們看到了倒立的情景[2];同理，燭焰的每一發(fā)光點都作為一點光源，發(fā)出的發(fā)散光束經過小孔后在光屏上出現(xiàn)了無數細小的三角形光斑，鄰近的光斑會相互重合增加亮度，從而使我們在光屏上看到了類似于燭焰的光斑。當孔不夠小時，所有的三角形光斑以很小的差別重疊在一起，我們看到的就是三角形光斑。

這也就能解釋學生的實驗結果，不同大小的小孔成像時，“物距”“像距”一定，像的大小不相等。其實正是因為小孔大小不同，所以其細小光斑的大小不等，小孔大，落到地面上的光斑大，重疊匯合而成的光斑就大，反之，光斑就小。而不同形狀大小相等的小孔，落到地面的光斑重合而成的光斑也近似相等;當小孔和光屏很近時，雖然孔很小，但上頂點A和下定點B落在光屏上的兩細小的三角形光斑仍然幾乎重合了，同理，其他的無數三角形細小光斑也相互重合了，最終使我們看到的是和小孔形狀類似的三角形光斑。

教學中不僅要引起學生思維，還要維持思維發(fā)展。學生學習物理知識的目的是要解決實際問題，教學中老師和學生在實驗情境中發(fā)現(xiàn)問題，反思學習，促進思維向深度發(fā)展，形成自己的結論，相信同學們一定會印象深刻。綜上所述，我們所看到的小孔成像情景，其實是由無數個和小孔形狀類似的光斑重疊而成的彌散性光斑，光斑形狀和實像有一些共同的特點。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 孫大君.也談“小孔成像”的“像”[J].物理教師，1993（3）：29.

[2]? 席桑田.小孔成像成的是像嗎？[J].物理教師，2004（7）：35-37.

（責任編輯 易志毅）