小孔成像一定是倒立的吗?

两千多年以前,韩非子,在他的书里记载了这样一个有趣的故事:有人请了一个画匠为他画一张画.三年以后,画匠告诉他:“画成了!”他一看,八尺长的木板上只涂了一层漆,什么画也没有,便大发脾气,认为画匠欺骗了他.画匠说:“请你修一座房子,房子要有一堵高大的墙,再在这堵墙对面的墙上开一扇大窗户.把木板放在窗上,太阳一出来,你在对面的墙上就可以看到一幅图画.”他半信半疑,照画匠的话去办.果然,在屋子的墙壁上出现了亭台楼阁和往来车马的图像,好像一幅绚丽多彩的风景画.尤其奇怪的是,画上的人和车还在动,不过都是倒着的!

聪明的你一定明白了故事中所说的是小孔成像.但是小孔成像是不是一定都是倒立的呢?要弄清楚这个问题我们该怎么办呢?物理学中常常采取的方法是――实验探究.那么,我们如何全面而有效地探究这个问题呢?让我们深入思考一下影响小孔成像的因素有:①小孔的大小;②小孔的形状;③物体到小孔的距离(即物距)大小;④光屏到小孔的距离(即像距)大小.

接下来,我们要准备一支蜡烛、一张白纸做的屏、六张硬纸板,并在其中三张硬纸板上分别挖出一个小圆孔,在剩下的三张硬纸板上分别挖出一个三角形小孔,并且相同形状的小孔的大小不同.现在找一个较暗的房间,在桌子上依次垂直放上蜡烛、带有小孔的硬纸板和纸屏.

具体的实验步骤是:

1.首先选用挖有小圆孔的硬纸板放入蜡烛和纸屏之间,并调整蜡烛的烛焰中心、小孔中心和光屏的中心大约在同一高度且使它们在同一条直线上.

2.点燃蜡烛,使蜡烛到小孔有适当距离(物距)并保持不变,从靠近小孔的位置向后不断移动纸屏使像到小孔的距离(像距)增大,观察像的变化情况.

3.保持纸屏到小孔的距离(像距)不变,蜡烛不断远离小孔(物距增大),观察像的变化.

4.换较大圆孔的硬纸板,重复步骤1、2、3.

5.换最大的圆孔硬纸板,重复步骤1、2、3.

6.分别将带有三角形孔的硬纸板放入蜡烛和光屏之间重复步骤1、2、3、4、5.

实验时候我们还要收集证据,所以我们以列表的方式将实验的现象记录下来.列表并记录如下:

分析所收集的证据我们可得到以下几个结论:

1.当小孔足够小时,无论物距如何,小孔都成物体倒立的像;当小孔太大,无论物距如何,所成的像都是孔的正立像,即与孔一样形状的光斑;当小孔不是太小又不是太大时,物距较小时成不太清晰的物体倒立的像,但物距超过一定范围,所成的像是小孔正立的像.

2.当小孔足够小时,所成的像是物体倒立的像,与小孔的形状无关,但像的大小与物距和像距有关,物距越小、像距越大,倒立的像也越大.

3.当小孔所成的像是物体倒立的像时,在物距和像距不变的情况下,小孔越小所成的像越清晰,但亮度越小;小孔越大所成的像越模糊,但亮度越高.

进一步研究小孔成像的实验还会发现,小孔所成的物体的像不仅上下倒置,而且左右也是颠倒的;当我们从左到右缓慢移动蜡烛,你还会发现蜡烛倒立的像是从右到左缓慢运动的.

小孔所成的像为什么有这些性质呢?由小孔成像的光路图可以看出,虽然蜡烛的光焰上每一点(比如烛焰的最上面一点)射向硬纸板的光线很多,但绝大部分的光线被硬纸板遮挡住而到达不了光屏,只有通过小孔的少部分光线到达了光屏的下部分.同样,蜡烛火焰的最下面一点发出的众多光线也只有少部分能通过小孔到达光屏的上方.这样火焰的每一点在光沿直线传播的性质控制下只能通过小孔在光屏找到相应的像点,这就形成了蜡烛倒立的实像.

如果小孔过大,烛焰上每一点发出的光线到达光屏的相应区域就越大,这样烛焰上每一点发出的光线到达光屏的位置不是唯一的,组成烛焰的各点发出的光线到达光屏上形成的像点相互重合,在光屏上所成的已不是物体的像而是小孔的像即小孔形状的光斑;如果小孔不是太小又不是太大,所成的像就会模糊不清;如果物体距离小孔过远,而小孔又不是太小,对小孔来说蜡烛射过来的光近乎平行,故小孔在光屏上所成的像也不是倒立的实像而是与小孔形状一样的小光斑了.

到这里,我想同学们一定也能够用光沿直线传播的知识解释为什么小孔越小,在光屏上所成的倒立的像越清晰,但亮度越弱.反之小孔越大所成的倒立的像越模糊,但亮度越亮了.