太陽小孔成像實(shí)驗(yàn)探究

1、太陽小孔成像實(shí)驗(yàn)探究唐志浩 物理教學(xué)探討     2006-1-8這個(gè)研究課題源自于一道習(xí)題:使太陽光垂直地照射在一塊遮光板上，板上有可以自由收縮的正方形孔，孔的后面放置一個(gè)光屏。在正方形孔逐漸變小直至閉合的過程中，在屏上先后看到:A、圓形光斑，B、明暗相間的彩色回環(huán)，C、變暗消失，D、正方形光斑,E、正方形光斑由大變小。其先后出現(xiàn)的現(xiàn)象依次排列為DEABC。   不少學(xué)生對(duì)于天方形孔逐漸變小的過程中，光斑由正方形變?yōu)閳A形的現(xiàn)象，百思不得其解，我就詳細(xì)作了解釋:由于光的波長很短，因此當(dāng)孔較大時(shí)，不會(huì)使光發(fā)

2、生明顯的衍射現(xiàn)象，此時(shí)光可看作直線傳播，在屏上得到孔的影。當(dāng)孔繼續(xù)減小時(shí)，仍不能使光發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，但可以在屏上成一太陽的像?？桌^續(xù)減小時(shí)，光開始發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，出現(xiàn)明暗相間的彩色條紋。最后，孔繼續(xù)減小直至閉合，由于進(jìn)光量的減少而使衍射條紋變暗消失。因?yàn)樘柺菆A的，因此它通過小孔成的像也是圓的，與小孔的形狀無關(guān)，見圖1。   為了進(jìn)一步把以上問題探究清楚，我指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步作了以下實(shí)驗(yàn)。   實(shí)驗(yàn)過程如下:1、取一張厚白紙(如復(fù)印紙)，在上面依次開6個(gè)方孔(圖2)，然后粘在一木框上作為遮光板。2、取一木板，在上面粘一張白紙作為光

3、屏。3、將遮光板垂直對(duì)準(zhǔn)太陽，在光屏上得到光斑。逐漸增大光屏和遮光板距離，記錄太陽通過各正方形孔在不同距離上的亮斑情況(表1)分析與結(jié)論:1、正方形亮斑明亮，亮度均勻，邊緣清晰。而小孔成像時(shí)的圓斑暗淡，亮度均勻，邊緣比較清晰。當(dāng)正方形亮斑向圓斑過渡的過程中，中間較亮，邊緣較暗，沒有明確的邊界，不能確定是方的還是圓的。2、大孔和小孔并沒有尺寸上明確的區(qū)別。當(dāng)所成亮斑為圓形時(shí)，便可認(rèn)為該孔是小孔，發(fā)生了小孔成像現(xiàn)象。一個(gè)所謂的大孔，只要屏與孔的距離足夠大，能出現(xiàn)小孔成像現(xiàn)象，就可稱之為“小孔”。這樣的理想化“小孔”，類似于質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷的含意。3、換用三角形孔或其他形狀孔重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，都可發(fā)現(xiàn)小孔成像時(shí)的像與小孔形狀無關(guān)，而取決于太陽(或其他物體)自身的形狀。這和平面鏡成像、透鏡成像的情況是一樣的。4、在相同距離上，不同大小的孔所成的像大小基本相同，但亮度不同?？状髸r(shí)，透過的光多，亮度也大。5、測(cè)得L4.3m處，圓斑的直徑約為4.0cm，由此可估算太陽的半徑。已知太陽到地球的距離約為1.5 ×l0"m。 根據(jù)三角形相似比我在專業(yè)網(wǎng)站查到太陽的半徑值為6.96265×m，可見實(shí)驗(yàn)還是比較準(zhǔn)確的。   之后，我并沒有把實(shí)驗(yàn)結(jié)論直接告訴學(xué)生，而是把這個(gè)問題作為學(xué)生的研究課