小孔成像属于光的直线传播现象,在同种均匀物质中沿直线传播,物距越近,像越大且亮度越暗;物距越远,像越小且亮度越亮。
小孔成像的概念
在一个明亮的物体与屏幕间放一块挡板,挡板上开一个小孔,在屏幕上会形成物体的一个倒立的实像,这种现象被称为小孔成像。
小孔成像现象的发现是早期光学研究中揭示光的直线传播性的最重要的证据之一,也是后世照相、幻灯等技术诞生的物理基础。
成书于战国中期(约公元前4世纪中叶以前)的《墨经》最早述及小孔成像现象。在《墨经》的“经下”和“经说下”两篇中记载了一系列关于光线成像、成影以及镜面反射规律的论述,是世界上最早的关于光学问题的论述,小孔成像问题就是其中一条。
其中不仅描述了光线通过小孔在墙壁上形成倒立实像的现象,而且还讨论了成像机制,正确地指出形成倒像的根本原因在于光的直进性。
光的直线传播概念
光在同种均匀介质中沿直线传播,通常简称光的直线传播。它是几何光学的重要基础,利用它可以简明地解决成像问题。人眼就是根据光的直线传播来确定物体或像的位置的,这是物理光学里的一部分。
光的直线传播的原理
自身能够发光的物体叫做光源。它分为两种,一种是自然光源,如太阳、萤火虫等;另一种是人造光源,如发光的电灯、点燃的蜡烛(烛焰)。月亮不是光源。月亮依靠太阳的光反射而发光。火星也不是光源。
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我国杰出的科学家墨翟和他的学生完成了世界上第一个小孔成倒像的实验,发现并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。
小孔成像有哪些应用
光的直线传播性质,在我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,我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。
同时,一些照相机和摄影机就是利用了小孔成像的原理——镜头是小孔(大多数安装凸透镜以保证光线成像距离),景物通过小孔进入暗室,像被一些特殊的化学物质(如卤化银等)留在胶片上(数码相机、摄影机等则是把像通过一些感光元件存储在存储卡内)。
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