光学中小孔成像实验探究

光学中小孔成像实验探究

初二一班孔婷

人教版八年级物理教材中介绍了利用光的直线传播的小孔成像，为进一步理解和探究小孔成像及其规律，在此，我利用废旧的易拉罐，制作了小孔成像仪，做成像实验，探讨成像的大小与哪些因素有关。

实验准备：一是多个易拉罐、一支蜡烛、一张塑料半透明膜；二是去掉易拉罐顶部，分别在其底面钻一个不同大小的小孔；三是将塑料膜平整地铺在易拉罐顶部；四是点燃蜡烛，使其立于桌面；五是将小孔对准蜡烛火苗，调整小孔成像仪与蜡烛火焰间位置直到看到清晰的倒立的影像。

一、探究小孔成像的清晰程度与周围光线强弱的关系

通过在白天、晚上等外界光线强弱不同时，以及用纸盒遮光器遮挡时，分别观察像的变化，可以发现：

1、在外界光线强，有遮光器时观察像的清晰程度；无遮光器时观察像的清晰程度。

2、在外界光线弱，有遮光器时观察像的清晰程度；无遮光器时观察

通过实验可以得出结论：成像的清晰程度与周围光线强度有关，周围环境越亮，成像越不清晰；周围环境越暗，成像越清晰。

二、探究不同口径小孔的成像规律

如图所示，我们制作了5个孔径大小不一的小孔成像仪器：

d=7mm

d=5mm

d=2mm

d=1mm

d<1mm

孔径大小/cm 成像清晰度亮度像的大小1号瓶<1 很清晰很暗很小

2号瓶 1 比较清晰比较暗比较小

3号瓶 2 清晰明亮正常大小

4号瓶 3 模糊比较亮比较大

5号瓶 5 很模糊很亮很大

得出结论：在光源与小孔距离一定时，小孔越大，成的像越不清晰。分析和论证：小孔成像的原理是这样的：

三、探究影响

像大小因素实验

猜想影响像大小有这几个因素：

1、孔径的大小，孔径越大，像越大

2、相机与物体的距离，距离越长，像越小

3、半透膜与针孔的距离，距离越长，像越大

下面就针对这三个假设因素进行实验验证

实验一、探究像大小与孔径的大小的关系

由上述表1，得出结论: 孔径越大，成像越大。

实验二、探究像大小与物距离之间的关系

得出结论：像的大小与成像仪与物体的距离有关，当光源与半透膜之间距离不变时，物距越长，像越小，反之亦然。

可知半透膜和小孔的距离逐渐变长，像逐渐变大，和猜想一致。

得出结论：像的大小与半透膜和小孔的距离有关，当光源与成像仪之间距离不变时，半透膜和小孔的距离越长，像越大，反之亦然。

进一步探究：设光源长度为L1，像长度为L2，光源与孔的距离为L3，半透膜与小孔的距离为L4，则L1，L2，L3，L4之间存在着什么关系呢？

取一组数据，实验1中第一次实验，此时L1=3cm ，L2=8.5cm ，L3=3.5cm ，L4=10cm

此时经尝试可发现

13cm 3.5cm 328.5cm 10cm 4

L L L L =≈= 再随意的带入几组其它数据也可得到同样的结论，如： 当L1=3cm ，L2=5.2cm ，L3=16cm ，L4=28cm 时

13cm 16cm 32 5.3cm 28cm 4L L L L =≈= 则作出猜想

1324L L L L =

如图1，AB ∥CD ，则∠BAO=∠CDO, ∠ABO=∠DCO 又∠AOB=∠DOC 则△AOB ∽△DOC

则AB AO BO

DC DO CO

== 半透膜上的像（长度为L2）

则

13

24

L L L L =

则得结论：L1,L4不变，L2×L3=L1×L4,L3与L2成反比，则L3越大，L2越小；L1，L3不变，1234

L L L L =， L2与L4成正比，则L4越大，L2越大

我们又可发现，若L1,L3+L4=k 不变、则13

23

L L L k L =-， 则L3越大，L2越小可得结论:当光源与光源半透膜距离一定时，光

源与孔的距离越大，像越小。

如此只要知道L1,L2,L3,L4中任意3个数的值，就能得出第4个数的值。

实验总结：

对像的清晰度造成影响的因素：

1、环境中的光线，光线越强，清晰度越差，反之亦然。 解决方法：加遮光器

2、与孔径的大小有关，孔径越小，越清晰。 对像的大小造成影响的因素：

1、孔径的大小，孔径越大，像越大，反之亦然。

2、相机与物体的距离，距离越长，像越小，反之亦然。

3、半透膜与小孔的距离，距离越长，像越大，反之亦然。

4、当光源与光源半透膜距离一定时，光源与孔的距离越大，像越小。

四、探究小孔成像与孔的形状是否有关

小孔成像的试验中，不论小孔的形状如何改变，如圆形、三角形等，所成的像并不随小孔的形状改变而改变，这是为什么？

分析：保证小孔成像的前提条件是小孔足够小，小到小孔的形状可以忽略不计，这样穿过小孔的光束的粗细可以不计，可以看成一束光线，这时物体上的一点发出的无数光线中只有比较集中的一部分光线穿过小孔，由于小孔很小，光线比较集中，可以看做一束光线，在地面上形成一个与之对应的的像点，这样，发光物体上的每一点都有一个对应的像点，这些像点组成发光物体的完整清晰的像，由此可见，小孔所成像的形状与小孔的形状无关。

五、探究大孔能不能成像

当小孔变大时，如图2所示，大孔可以分成几个小孔，蜡烛经过其中的一个小孔成一个像，有几个小孔就会在光屏上形成几个像，由于小孔的位置不同，像的位置也不同，错位叠加，形成轮廓模糊的光斑。由此可见，不是大孔不能成像，而是大孔形成很多像，这些像相互叠加，不完全重合，轮廓变得模糊不清，形成更大的光斑。

图1

图2

六、实验结论分析

经过多次实验，我们可以发现小孔成像的规律：

1、小孔成像是倒立的实像，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、孔过大，孔径在6mm以上时基本不能成像；