小孔成像的原理

時間：2022-09-22 10:41:17 科普知識我要投稿

小孔成像的原理

　　小孔成像，我國的學者—墨翟（墨子）和他的學生，做了世界上第一個小孔成倒像的實驗，解釋了小孔成倒像的原因，指出了光沿直線進行的性質，早于牛頓2000多年就已經總結出相似的理論。下面是小編為大家整理的小孔成像的原理，僅供參考，歡迎閱讀。

　　成像原理

　　小孔成像是利用光的直線傳播。光在同種均勻物質中沿直線傳播，物體的距越越近，像越大且亮度越暗；物體的距越越遠，像越小且亮度越亮。用一個帶有小孔的板遮擋在墻體與物之間，墻體上就會形成物的倒影，我們把這樣的現象叫小孔成像。前后移動中間的板，墻體上像的大小也會隨之發生變化，這種現象說明了光沿直線傳播的性質。

　　實驗過程

　　1、放好蠟燭、小孔屏和毛玻璃屏。點燃蠟燭，調整蠟燭和屏的高度，使蠟燭的火焰、小孔和毛玻璃屏的中心大致在一條直線上。蠟燭和小孔屏的距離不宜過大。調整后，可以在毛玻璃屏上看到蠟燭火焰倒立的實像。

　　2、移動蠟燭或毛玻璃屏的位置，可以看到，蠟燭距小孔越近或毛玻璃屏距小孔越遠，得到的像越大。

　　像的特點

　　1、成的像是實像。

　　2、成的像與物體大小之比為（小孔到成像屏的距離）除以（小孔到物體的距離）。

　　3、成的像與物體大小比列相同。

　　4、成的像是倒立的且左右顛倒（與原物體成中心對稱）。

　　5、小孔越小，成像越清晰，但是亮度會比較小。

　　簡介

　　小孔成像，我國的學者—墨翟（墨子）和他的學生，做了世界上第一個小孔成倒像的實驗，解釋了小孔成倒像現象，這種現象說明了光沿直線傳播。

　　演示

　　把一支削得尖且細的鉛筆，在一張硬紙片的中心部分扎一個小孔圓圈。

　　小孔的直徑約三毫米，設法把它直立在桌子上，然后拉上窗簾，使室內的光線變暗。

　　點上一支蠟燭，放在靠近小孔的地方。拿一張白紙，把它放在小孔的另一面。這樣，你就會在白紙上看到一個倒立的燭焰。我們稱它是蠟燭的像。前后移動白紙，瞧瞧燭焰的像有什么變化。當白紙離蠟燭比較近的時候，像小而明亮；當白紙慢慢遠離蠟燭的時候，像慢慢變大，亮度變暗。

　　改變小孔的大小，我們再來觀察蠟燭的像有哪些變化。

　　你可以在硬紙片上，扎幾個大小不等、形狀不同的孔，孔和孔之間相距幾厘米。這時候在白紙上，就出現了好幾個和小孔相對應的倒像。它們的大小都一樣，但是清晰程度不同，孔越大，像越不清楚。孔只要夠小，它的形狀不論是方的、圓的、扁圓的，對像的清晰程度和像的形狀都沒有影響。

　　實驗結論

　　光在同種均勻物質中沿直線傳播。

　　像距不變時，物距越近，像越大且亮度變亮；物距越遠，像越小且亮度變暗。

　　物距不變時，屏近像變小，變亮；屏遠像變大，變暗。

　　物、孔、屏位置不變時，成像為前提，孔相對大時像變亮

　　問題解釋

　　小孔成像圖像是相反的這個實驗至少向我們提出了三個問題：小孔成的像為什么是倒立的。像的大小和哪些因素有關。像的清晰程度和哪些因素有關。

　　為了說明這些問題，我們把蠟燭的火焰看成是由許多小發光點組成的，每個發光點都向四面八方發射著光。總會有一小束光，筆直地穿過小孔，在白紙上形成一個小光斑。燭焰上的每一個發光點都會在白紙上形成一個對應的光斑，全部光斑在白紙上就組成了一個燭焰的像。

　　從圖中可以看出，燭焰上部發的光沿直線通過小孔，照在白紙的下部；燭焰下部發出的光，通過小孔，照在白紙的上部，所以在白紙上形成一個倒立的像。這正好說明了光是直線傳播的。

　　當孔比較小的時候，物的不同部分發出的光線會到達屏幕的不同的部分，而不會在屏幕上相互重疊，所以屏幕上的像就會比較清晰。如圖所示(點擊圖可以放大)，由于孔比較小，物的A處發出的光線就不會到達屏幕的C處，只有物的B處發出的光線才會到達屏幕的C處，屏幕上的C處的光線只來自物的B處，所以C處的像就會比較清晰。

　　小孔成像當孔比較大的時候，物的不同部分發出的光線會在屏幕上重疊，屏幕上的'像自然也就不清晰了。如圖所示(點擊圖可以放大)，如果孔相當大，那么物的A處發出的光線會到達屏幕的C處，而且B處的光線也會到達屏幕的C處，這樣光線就會發生重疊，光信息就會發生混亂，也就無法成像。我們在面對物的一張白紙上之所以看不到像，不是因為白紙上沒有來自于物的光線，而是因為來自于物的不同部分的光線在白紙上重疊了。

　　當然孔的大小是相對于物的大小來說的，如物很大，那么就是孔也比較大，也還是可以成像的。如果我們要成太陽的像，那么就是用足球場那么大的孔也可以，只是孔越小，成的像的分辨率越高。不過，如果孔太小，通過的光線就會少，像的亮度也會降低。而且孔太小還會發生衍射等反應，這也會對成像有影響。

　　所以，比孔小的物體或物體上的比孔小的部分是無法被成像的。

　　小孔成像

　　如右圖所示，紅線或藍線都代表著來自被成像物的光線。這些光線在屏幕上形成光點a和光點b。a點只會接收cd這個范圍內來的光線，而且其強度是這個范圍內的光線強度的平均（因為cd這個范圍內的任意一點的光線都會到達a）；b點只會接收ef這個范圍內來的光線，而且其強度是這個范圍內的光線強度的平均（因為ef這個范圍內的任意一點的光線都會到達b）。所以，大孔是用cd這么大的區域來“掃描”物體以成像的，小孔是用ef這么大的區域來“掃描”物物體以成像的。由于cd要遠大于ef，所以小孔成像的分辨率會比較低。顯然，如果孔的大小不變，像距（像到小孔的距離）不變而物距增加，那么成像的分辨率就會下降，相反則分辨率上升。如果孔的大小不變，物距不變而像距增加，那么成像分辨率也會上升，相反則分辨率下降。如果像距與物距不變，孔的大小增加，那么成像的分辨率就會下降，相反則分辨率上升。即小孔成像的分辨率——像的清晰度——與像距成正比，與物距及孔的大小成反比。所以，當屏幕距離小孔十分近的時候，我們看到的是一個光斑，就是因為分辨率太低的結果。

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