太阳小孔成像实验探究.doc

太阳小孔成像实验探究唐志浩物理教学探讨2006-1-8这个研究课题源自于一道习题:使太阳光垂直地照射在一块遮光板上，板上有可以自由收缩的正方形孔，孔的后面放置一个光屏。在正方形孔逐渐变小直至闭合的过程中，在屏上先后看到:A、圆形光斑，B、明暗相间的彩色回环，C、变暗消失，D、正方形光斑,E、正方形光斑由大变小。其先后出现的现象依次排列为DEABC。不少学生对于天方形孔逐渐变小的过程中，光斑由正方形变为圆形的现象，百思不得其解，我就详细作了解释:由于光的波长很短，因此当孔较大时，不会使光发生明显的衍射现象，此时光可看作直线传播，在屏上得到孔的影。当孔继续减小时，仍不能使光发生明显的衍射现象，但可以在屏上成一太阳的像。孔继续减小时，光开始发生明显的衍射现象，出现明暗相间的彩色条纹。最后，孔继续减小直至闭合，由于进光量的减少而使衍射条纹变暗消失。因为太阳是圆的，因此它通过小孔成的像也是圆的，与小孔的形状无关，见图1。为了进一步把以上问题探究清楚，我指导学生进一步作了以下实验。实验过程如下:1、取一张厚白纸(如复印纸)，在上面依次开6个方孔(图2)，然后粘在一木框上作为遮光板。2、取一木板，在上面粘一张白纸作为光屏。3、将遮光板垂直对准太阳，在光屏上得到光斑。逐渐增大光屏和遮光板距离，记录太阳通过各正方形孔在不同距离上的亮斑情况(表1)分析与结论:1、正方形亮斑明亮，亮度均匀，边缘清晰。而小孔成像时的圆斑暗淡，亮度均匀，边缘比较清晰。当正方形亮斑向圆斑过渡的过程中，中间较亮，边缘较暗，没有明确的边界，不能确定是方的还是圆的。2、大孔和小孔并没有尺寸上明确的区别。当所成亮斑为圆形时，便可认为该孔是小孔，发生了小孔成像现象。一个所谓的大孔，只要屏与孔的距离足够大，能出现小孔成像现象，就可称之为“小孔”。这样的理想化“小孔”，类似于质点、点电荷的含意。3、换用三角形孔或其他形状孔重复上述实验，都可发现小孔成像时的像与小孔形状无关，而取决于太阳(或其他物体)自身的形状。这和平面镜成像、透镜成像的情况是一样的。4、在相同距离上，不同大小的孔所成的像大小基本相同，但亮度不同。孔大时，透过的光多，亮度也大。5、测得L4.3m处，圆斑的直径约为4.0cm，由此可估算太阳的半径。已知太阳到地球的距离约为1.5l0m。根据三角形相似比我在专业网站查到太阳的半径值为6.96265m，可见实验还是比较准确的。之后，我并没有把实验结论直接告诉学生，而是把这个问题作为学生的研究课题，例如，可以改变光源，作日光灯管的小孔成像实验，引导学生进一步思考小孔成像的条件和物理本质，指导学生通过实验过程获取结论。