“小孔成像”一定与小孔的形状无关吗?

摘 要：本文从“探究树荫下的光斑”综合实践活动出发，通过提出猜想、设计方案、实验探究得出影响树荫下光斑的几个因素.为了进一步探究像与物的位置关系，用英文字母“F”作为连续发光体进行实验，由于物体的尺寸相对小孔而言较大，像的形状与物体的形状相似，与小孔的形状无关;用LED灯组成字母“F”，由于是不连续发光体，每一个LED灯的尺寸相对小孔而言较小，光斑的形状与小孔的形状相似，若干个光斑组成了物体的像.

关键词：连续发光体;不连续发光体;像;光斑

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）04-0038-02

作者简介：刘友余（1966-），男，江苏盐城人，本科，中学正高级教师，研究方向：物理实验教学设计优化和物理解题研究.

1 活动回顾

苏科版物理八年级上册第三章光现象中，学习了光沿直线传播后，安排了“探究树荫下的光斑”综合实践活动.

晴天的正午，从树荫下走过，会看到地面上有一些光斑，如图1所示.仔细观察可以发现，有些光斑形状不规则，还有一些光斑是圆形的，这些圆形的光斑亮度较暗.地面上的光斑为什么会有不同的形状？较小的圆形光斑为什么亮度较暗？

1.1 提出猜想

由于光斑是太阳光透过树叶间的缝隙照在地面上形成的，所以不规则形状的光斑与树叶间缝隙的形状相同，属于大孔成斑;较小较暗的圆形光斑是太阳的实像，由于树叶间的缝隙较小，相当于小孔，属于小孔成像.

1.2 设计方案

由于无法确定某个光斑是从哪一个缝隙透过的光照射到地面形成的，也看不清缝隙的形状，因此需要进行控制变量以顺利实验.

具体做法是在纸片上打孔.在一张卡片纸上用小刀刻出正方形、三角形、菱形、圆形的小孔，孔的尺寸为1cm，如圖2所示.在另一张卡片纸上刻出一个尺寸为1cm的三角形小孔，如图3所示.

1.3 实验探究

（1）在地面上铺一张白纸，把带有四个孔的卡片置于白纸上方约1m的位置，让太阳光垂直透过卡片上不同形状的小孔，观察到的实验现象为纸面上出现的光斑的形状与孔的形状相同.

（2）将带有三角形小孔的卡片置于白纸上方约1m的位置，用另一张卡片纸覆盖在上面，并慢慢向左移动，随着孔的不断减小，观察到纸面上出现的光斑由三角形变为圆形，且亮度变暗，说明光斑的形状与孔的大小有关.

（3）把带有四个孔的卡片渐渐远离地面，观察到纸面上出现的光斑都变为圆形，且变大变暗，说明光斑的形状与孔到地面的距离有关.

1.4 得出结论

树荫下的光斑的形状与树叶间缝隙的形状、缝隙的大小及缝隙到地面的距离有关.当树叶间缝隙较大且离地面较近时，光斑的形状与树叶间缝隙的形状相同;当树叶间缝隙较小或离地面较远时，光斑的形状为圆形，属于小孔成像，圆形光斑是太阳的实像，此时的光斑与缝隙的形状无关.

为了进一步探究小孔成像时，像与物的位置关系，我们不妨用发光体“F”继续实验.

2 深入探究

先将手机亮度调成最大，借助智能手机QQ聊天工具，打成字母F字样作为连续的发光体，将一个刻有尺寸约为2mm的三角形黑色塑料板放在中间，在毛玻璃光屏的后面观看到如图4所示的字母F.此时不难看出小孔所成的像与物相比，位置关系是上下左右都颠倒，像的形状与物体的形状相似，与小孔的形状无关.

用LED灯做出一个不是连续发光的F，如图5所示.仍将一个刻有尺寸约为2mm的三角形黑色塑料板放在中间，在毛玻璃光屏的后面观看到字母的形状.由于每一个LED灯的尺寸与小孔的尺寸差不多大，每个LED灯通过小孔在光屏所成的并不是像，而是与小孔形状相同的光斑，若干个光斑组成了字母F的形状.

根据上述实验现象不难发现，物体通过小孔所成的像有两种情况：一是连续发光物体的尺寸大于小孔的尺寸时，物体通过小孔所成的像与物体的形状相似，与小孔的形状无关;二是不连续发光体，当发光体部分的尺寸与小孔的尺寸差不多大时，发光体通过小孔并不成像，而是在光屏上成一个个与小孔形状相似的光斑，若干个光斑（与LED灯个数相同）组成了不连续物体的像.

参考文献：

[1]徐志红，张世成.浅谈实践中促进学生对科学方法的理解与应用——以探究“树荫下的光斑是如何形成的”为例[J].中学物理教学参考，2014，43（03）：21-23.

[2]代顺林，邓丽平.自制小孔成像实验演示仪改进实验教学[J].中学物理教学参考，2017，46（07）：66-68.

[3]江耀基.小孔成像实验改进与教学[J].中学物理，2017，35（20）：20-21.

[4]周小奋，张华.探究树荫下的光斑[J].物理教学，2013，35（05）：45-46+50.

[5]程荣贵.自制小孔成像演示器[J].物理教师，2018，39（11）：46-47.

（收稿日期：2020-11-15）