小孔成像
小孔成像 |
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演示方法
小孔成像 |
改变小孔的大小,我们再来观察蜡烛的像有哪些变化。你可以在硬纸片上,扎几个大小不等、形状不同的孔,孔和孔之间相距几厘米。这时候在白纸上,就出现了好几个和小孔相对应的倒像。它们的大小都一样,但是清晰程度不同,孔越大,像越不清楚。孔只要够小,它的形状不论是方的、圆的、扁圆的,对像的清晰程度和像的形状都没有影响。
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问题解释
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当烛焰上部发的光沿直线通过小孔,照在白纸的下部;烛焰下部发出的光,通过小孔,照在白纸的上部,所以在白纸上形成一个倒立的像。这正好说明了光是直线传播的。当孔比较小的时候,物的不同部分发出的光线也到达像的不同的部分,所以物的不同部分发出的光线不会重叠,所以像就会比较清晰,比如物的C处发出的光线就不会到达B处,所以也就不会发生物的C处发出的光线与物的A处发出的光线的重叠,所以B处的像就比较清晰;而一旦孔大到一定程度,物的不同部分发出的光线就会在像处发生重叠,像自然也就不清晰了,比如说物的C处发出的光线就会与物的A处发出的光线重叠于B处,这样B处的像就不知道是谁的像了,自然像也就不清晰了。所以板及小孔相当于一个分解器,将来自物的不同部分的光线分解了,所以也就成像了。
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在日常生活中所以在面对物的一张白纸上看不到像,不是因为白纸上没有来自于物的光线,而是因为来自于物的不同部分的光线在白纸上重叠了,所以我们的眼睛无法看到物的像。而一旦我们用透镜或小孔将来自物的光线投射到白纸的不同的部分,那么物的像就显现出来了。当然大小是相对的,这个孔的大小是相对于物的大小说的,如果物很大,那么就是孔比较大,也还是可以成像的。只是孔越小,成的像的分辨率越高。当然如果孔太小,那么通过的光线就会少,像也就未必有足够的亮度了。而且孔太小还会发生衍射什么的,这也会对成像有影响。 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%
孔的大小是相对的其实在小孔成像中的孔的大小是于物来说的,物大则孔可以大,物小则孔必须小。如果我们要成太阳的像,那么就是用足球场那么大的孔也不是不可以的,当然这里面有一个屏幕与孔的距离的问题,如果孔的大小一定,孔与物的距离也一定,那么屏幕距离孔越远,所成的像在理论上的分辨率也就越高。当然在这样的情形下,分辨率的极限是孔的大小,也就说被成像的物上的比孔小细节也就无法分辨清楚了。如果我们用足球场那么大的孔对太阳成像,那么太阳上比足球场小的结构是不会成像出来的。
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如果用Φ代表可分辨的物的最小结构,而u代表物距,v代表屏幕与小孔的距离(像距),φ代表小孔的直径。其成像的公式就是:φ/Φ=(u+v)/v(1),整理(1)式后可以得到:φ/Φ-1=u/v(2),由式可以看出,当u、φ一定,v趋向无限大的时候,φ/Φ趋向于1,所以只有当像距无限大的时候,像才会达到最大的分辨率。v越小,则分辨率越低,当为v接近为零的时候,像就无法成像了,这也就成了一个世俗所说光斑了。
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古代故事
小孔成像原理 |
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大约两千四五百年以前,我国的学者—-墨翟和他的学生,做了世界上第一个小孔成倒像的实验,解释了小孔成倒像的原因,指出了光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。《墨经》中这样纪录了小孔成像:“景到,在午有端,与景长。说在端。”“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。”
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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。《墨经》在两千多年前关于针孔成像的描述,与照相光学所讲的是完全吻合的。 www.18art.com
成像原理
原理:光的直线传播
小孔成像 |
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生活在五十万年以前的北京猿人就已经懂得使用天然火,大约在几万年前人类又学会了用钻木的方法人工取火。火在长时期里一直是人们唯一可以利用的人造光源,后来人们创造了油灯、蜡烛,还是离不开火,一直到近代光源的发明才取代了火。
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通过对光的长期观察,人们发现了沿着密林树叶间隙射到地面的光线形成射线状的光束,从小窗中进入屋里的日光也是这样。大量的观察事实,使人们认识到光是沿直线传播的。为了证明光的这一性质,大约二千四五百年前中国杰出的科学家墨翟和他的学生作了世界上第一个小孔成倒像的实验,解释了小孔成倒像的原理。虽然他讲的并不是成像而是成影,但是道理是一样的。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。为什么会有这奇怪的现象呢?墨家解释说,光穿过小孔如射箭一样,是直线行进的,人的头部遮住了上面的光,成影在下边,人的足部遮住了下面的光,成影在上边,就形成了倒立的影。这是对光直线传播的第一次科学解释。墨家还利用光的这一特性,解释了物和影的关系。飞翔着的鸟儿,它的影也仿佛在飞动着。墨家分析了光、鸟、影的关系,揭开了影子自身并不直接参加运动的秘密。墨家指出鸟影是由于直线行进的光线照在鸟身上被鸟遮住而形成的。
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当鸟在飞动中,前一瞬间光被遮住出现影子的地方,后一瞬间就被光所照射,影子便消失了;新出现的影子是后一瞬间光被遮住而形成的,已经不是前一瞬间的影子。因此,墨家得到了“景不徙”的结论,“景”通“影”,就是说,影子不直接参加运动。那么为什么影子看起来是活动着的呢?这是因为鸟飞动的时候,前后瞬间影子是连续不断地更新着,并且变动着位置,看起来就觉得影是随着鸟在飞动一样。在二千四五百年前,能这样深入细致地研究光的性质,解释影的动和不动的关系,确是非常难能可贵的。墨家还从光线直线传播的原理解释了投影和半影的现象。
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为了证实这个结论,赵友钦设计了一个比较完备的实验。在楼下的两间房子的地板中各挖两个直径四尺多的圆井,右边的井深四尺,左边的深八尺,在左井里放置一张四尺高的桌子,这样两井的深度就相同。作两块直径四尺的圆板,板上各密插一千多枝蜡烛,点燃后,一块放在右井井底,一块放在左井桌上。在井口各盖直径五尺、中心开小方孔的圆板,左板的方孔宽一寸左右,右板的方孔宽半寸左右。这时可以看到楼板上出现的都是圆像,只是孔大的比较亮,孔小的比较暗。赵友钦用光的直线传播的道理,说明了东边的烛成像于西,西边的成像于东,南边的成像于北,北边的成像于南,每根烛都有对应的像,由于一千多枝烛是密集成圆的,所成的像也相互连接成为圆像。 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%
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接着去掉上面所说的吊着的两块板,仍以楼板作为像屏,撤去左井里的桌子,把蜡烛放到井底,这时左井的光源离方孔远,左边的楼板上出现的像变小,而且由于烛光弱,距离增加后亮度也变弱。从这些实验结果,赵友钦归纳得出了小孔成像的规律,指出了烛(光源)的远近、强弱和小孔、像屏的远近之间的关系,指出像屏近孔的时候像小,远孔的时候像大;烛距孔远的时候像小,近孔的时候像大;像小就亮,像大就暗;烛虽近孔,但是光弱,像也就暗;烛虽远孔,但是光强,像也就亮。实验的最后一步是撤去覆盖井面的两块板,另在楼板下各悬直径一尺多的圆板,右板开广四寸的方孔,左板开各边长五寸的三角形孔,调节板的高底,就是改变光源、孔、像屏之间的距离。这时仰视楼板上的像,左边是三角形,右边是方形。这说明孔大的时候所成的像和孔的形状相同:孔距屏近,像小而明亮;孔距屏远,像大而暗淡。
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从以上的实验结果,赵友钦得出了小孔的像和光源的形状相同、大孔的像和孔的形状相同的结论,并指出这个结论是“断乎无可疑者”。用这样严谨的实验,来证明光的直线传播,阐明小孔成像的原理,这在当时世界上是绝无仅有的。光的直线传播性质,在中国古代天文历法中得到了广泛的应用。我们的祖先制造了圭表和日晷,测量日影的长短和方位,以确定时间、冬至点、夏至点;在天文仪器上安装窥管,以观察天象,测量恒星的位置。此外,中国很早就利用光的这一性质,发明了皮影戏。汉初齐少翁用纸剪的人、物在白幕后表演,并且用光照射,人、物的影像就映在白幕上,幕外的人就可以看到影像的表演。皮影戏到宋代非常盛行,后来传到了西方,引起了轰动。
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