太阳小孔成像实验探究

1、太阳小孔成像实验探究 唐志浩 物理教学探讨 20062006- -1 1- -8 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 A、圆形光斑，B B、明暗相间的彩色回环，C C、变暗消 失，D D 正方形光斑,E,E、正方形光斑由大变小。其先后出现的现象依次排列为 DEABCDEABC。 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

2、， 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 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 1、 取一张厚白纸 （如复印纸 ），在上面依次开 6 6 个方孔（图 2 2），然后粘在一木框 上作为遮光板。 2 2、 取一木板，在上面粘一张白纸作为光屏。 3 3、 将遮光

3、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 1） 分析与结论 ： 1 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。11窓阳通过各正方形孔在不同壓离上影成的亮斑蒲况 売Jtc (諾 D.06 0,32 O.7B F 1-44 4.剂 r仏2 BT n 1).4 方 边艸糊 a * 圆 * 方 边OK B 圆 L0 方 方 . 1- IB 方 边糊N 2 方 方 边燒摸醐边聲段禅边躱橈卷

4、 LJKSFKM bb孔的边民 2 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 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 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 5、 测得 L L=4.3m4.3m 处，圆斑的直径约为 4.0cm4.0cm，由此可估算太阳的半径。已知太 阳到地球的距离约为 1.5 1.5 x l0ml0m。 根据三角形相似比 g 二 LQ11 U ?Em enen七厲耳订屮扎d d爛审鹰也 IM* V * ) )it* 2,0 X1022 = 4.V R a = 6+ 9 x 10 我在专业网站查到太阳的半径值为 6. 962656. 96265X m m 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