“小孔成像”之我见

韦强

中图分类号：G633.7文献标识码：B文章编号：1672-1578（2017）12-0193-01

小孔成像作为大家所熟知的一种光学现象，是光直线传播的有力依据。但"小孔成像"的"像"到底是什么，这一直是一个很有争议的问题，不少人认为："小孔成像"的"像"本不是像，而是影。就此我来谈谈个人的观点。

我认为"小孔成像"成的是像，理由有三点：

第一，母国光等所编的《光学》中对于像的概念是这样定义的："自物点发出的光束，经光学系统后，若仍保持为单心光束，则这个经过系统后的光束的心称为光学系统对该物点成的像点"。由于由物点发出的光在空间呈辐射状，它们经小孔后不可能会聚，亦即经小孔后的光束并非是单心光束。但由于小孔对光束有限制作用，若小孔很小，则通过小孔的光束也就很细，且通常物点与小孔间的距离较大，故通过小孔的细光束的发散程度也就很小，该光束在屏上形成的光斑当然也就很小，以至于可近似看作是像点。[1]

第二，《辞海》中关于"像"的定义："从物体发出的光线经过光具组（透镜、镜、棱镜或它们的组合）所形成的与原物相似的图景"，这里对"光具组"的举例说明中尽管未明确列出具有特殊性的小孔的情况，但应当看到，《辞海》中在"像"条目次页的"光具组"条目中便指出光具组也包括光阑（对光束起限制作用的孔）等在内。而在"光阑"的条目中则进一步明确指出"光阑"是光学仪器（光具组）的一种元件。而当光阑很小的时候不就是小孔吗？因此我认为，《辞海》中关于"像"的定义来看，"小孔成像"成的是像。[1]

第三，大约2400年前，我国杰出的科学家墨翟和他的学生做了世界上第一个小孔成倒像的实验：在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。墨翟用光的直线传播解释了小孔成倒像的原理：光穿过小孔如射箭一样，是直线行进的，人的头部被遮住了上面的光，成像在下边，人的足部被遮住了下面的光，成像在上边，就形成了倒立的像。从墨翟对"小孔成像"成像原理解释中，可以看出"小孔成像"成的是像。[2]

以上三点足以说明了"小孔成像"成的是像，至于是不是"影"呢？我们来认识一下"影"的定义：光在直线传播过程中，遇到不透明的物体，在光不能到达的区域形成的阴影区部分叫做影子，简称为"影"，如生活中手影、皮影。通过小孔所成的像是很细的光束在屏上形成的光斑，显然不是"影"。另外，从反映的对象来看，影是反映不透明的遮光体的情况，像是反映发光体的情况；从反映的情况看，影只是大致地反映遮光体的轮廓，轮廓以内便无层次可言，而像却可形象而具体地再现发光体的表面情况（如起伏性、光洁度及色彩）及人物的表情、神态等。通过小孔成像获得的人的像，不但可看到人的轮廓情况，甚至还可以看清人物的面部表情，这和影的轮廓以内尽是黑暗区域的情况是有本质区别的。仅此即可说明小孔成像的"像"是像而不是影。[1]

但是，"小孔成像"成的"像"与通过光具组所成的像是不可混同的。

第一，两者的成因不同。图1表示的是光点A发出的光通过凸透镜形成实像点A'。可以看出，在不考虑像差的理想条件下，光点发出的是同心发散光束，形成实像点的是同心会聚光束。在可以显现"小孔成像"的情况下，小孔相对于光点是足够大的（否则，将会出现衍射现象），如图2所示，光点B发出的光通过小孔后仍是一细光束，光的传播方向不会改变，因而投射到小孔右方屏上的是发散光束。

第二，两者的位置不同。理想像点的位置是唯一的（每个像点对应一个物点），像图1那样形成实像时，光屏只有位于透镜右方光束的会聚点A'，无论是向右移还是向左移，显现的图像都会变大，而且都会变得模糊不清。在图2中，"像"的位置是不确定的，光屏离小孔远点近点，都会显现相似形状的图像，只不过是光屏越靠近小孔，图像愈小愈明亮。

第三，撤去图1中的光屏，眼睛在A'的右方注视左方，接收到的光束犹如从A'发出，因而会看到光点A似在A'的位置上。若眼睛在图2中小孔的右方向左看，接收到的光束仍然是从B点发出的而不是从小孔右方放置光屏处发出的，因而看到的光点B没有改变位置。[3]

由此可见，"小孔成像"成的是"像"，而不是"影"。但同时我们也要看到"小孔成像"成的"像"和光具组成的"像"是有區别的。

参考文献：

[1]孙大君，也谈"小孔成像"的"像"，物理教师，1993（3），29。

[2]苏科版物理教材编写组，物理八年级上教师教学用书，2016年，111。

[3]席桑田，小孔成像成的是像吗？物理教师，2004（7），35