小孔成像原理及实验

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光学原理小孔成像,大家比较熟悉,世界上谁第一个发现了它呢?

作为一个中国人应感觉自豪,因以为他就是我国古代伟大学者──墨子。

墨子,约生活在公元前468年~公元前376年,名翟,鲁国人。创立墨家学说,并有《墨子》一书传世。


大约两千四五百年以前,墨子和他的学生,做了世界上第一个小孔成倒像的实验。

《墨经》中有这样精彩的纪录:“景到,在午有端,与景长。说在端。”

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《经说下》解释:“景。光之人,煦若射,下者之人也高;高者之人也下。足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下。在远近有端,与于光,故景库内也。”

这里的“到”古文通“倒”,即倒立的意思。

“午”指两束光线正中交叉的意思。

“端”在古汉语中有“终极”,“微点”的意思。

“在午有端”指光线的交叉点,即针孔。物体的投影之所以会出现倒像,是因为光线为直线传播,在针孔的地方,不同方向射来的光束互相交叉而形成倒影。

“与”指针孔的位置与投影大小的关系而言。

“光之人,煦若射”是一句很形象的比喻。

“煦”即照射,照射在人身上的光线,就像射箭一样。

“下者之人也高;高者之人也下”是说照射在人上部的光线,则成像于下部;而照射在人下部的光线,则成像于上部。于是,直立的人通过针孔成像,投影便成为倒立的。

“库”指暗盒内部而言。“远近有端,与于 光”,指出物体反射的光与影像的大小同针孔距离的关系。

物距越远,像越小;物距越近,像越大。

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这样的描述,解释了小孔成倒像的原因,指出了光的直线进行的性质。

墨子在光学方面的研究远远不只停留在小孔成像上,据《墨经》中记载:墨子首先探讨了光与影的关系,他细致地观察了运动物体影像的变化规律,提出了“景不徙”的命题,即影子不参与运动。

随之,墨子又探讨了物体的本影和副影的问题。他指出,光源如果不是点光源,由于从各点发射的光线产生重复照射,物体就会产生本影和副影;如果光源是点光源,则只有本影出现。

接着,墨子又进行了小孔成像的实验。墨子对平面镜、凹面镜、凸面镜等也进行了相当系统的研究,得出了几何光学的一系列基本原理。

仪器和器材

蜡烛、小孔屏(孔径1-3毫米)、毛玻璃屏

实验方法

1.按图所示放好蜡烛、小孔屏和毛玻璃屏


点燃蜡烛,调整蜡烛和屏的高度,使蜡烛的火焰、小孔和毛玻璃屏的中心大致在一条直线上。蜡烛和小孔屏的距离不宜过大。调整后,可以在毛玻璃屏上看到蜡烛火焰倒立的实像。

2.移动蜡烛或毛玻璃屏的位置,可以看到,蜡烛距小孔越近或毛玻璃屏距小孔越远,得到的像越大。

注意事项

1.配合演示要画出小孔成像的光路图,运用光的直线传播规律说明小孔成倒立实像以及物点和像点一一对应的关系。

2.孔的大小,物与小孔的距离配合要适当,以保证所成实像既清晰又有一定的亮度。

一般来说,孔径越小,像越清晰,像的亮度越差;孔径越大,物与小孔屏的距离应越大。亦是光向四面八方分散的越广。所以孔径不宜过大。

3.毛玻璃屏的毛面应对着小孔,观察者即可从屏的毛面对光的漫反射看到实像,也可从毛玻璃屏透射的光看到实像。

4.本实验应在暗室中进行。



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