探究小孔成像实验报告

提出问题

用易拉罐自制一个针孔照相机，在观察过程中，发现在室外观察景物时成像总不太清晰，有什么办法可增加清晰度呢。照相机半透膜上的图像会发生大小改变，这大小改变受什么因素影响，又有什么规律呢？

一：探究像的清晰度实验

思考与假设

根据生活经验，猜想不清晰可能是由于以下两种情况：

1. 环境中光线太亮，以致于看不清半透膜上的像。

2. 孔径太小，光线进入量过少，导致半透膜上的像不清晰

下面就针对这两个假设进行实验验证

实验1像的清晰程度和周围光的强度有关

设计实验：

器材：针孔照相机，光源(F型发光二极管)，黑色卡纸(遮光器)

实验步骤：

1. 为“针孔照相机”用黑色卡纸做了一个圆柱形的“遮光器”，套在针孔照相机成像的一端，以降低半透膜周围光的强度。

2. 在外界光线强，有遮光器时观察像的清晰程度

3. 在外界光线强，无遮光器时观察像的清晰程度

4. 在外界光线弱，有遮光器时观察像的清晰程度

5. 在外界光线弱，无遮光器时观察像的清晰程度

不带遮光器的针孔照相机成像

带遮光器的针孔照相机成像

进行实验：

得到以下数据：

外界光线强弱

有无遮光器

成像效果(是否清晰)

试验一

强

有

清晰

实验二

强

无

不清晰

实验三

弱

有

较清晰

实验四

弱

无

较清晰

得出结论：通过实验可以得出，成像的清晰程度与周围光线强度有关，周围环境越亮，成像越不清晰；周围环境越暗，成像越清晰。(1)

实验2

设计实验

器材：5个有不同口径小孔的小孔成像仪器，光具座，遮光器，光源

实验步骤：

1、 制作出5个有不同口径小孔的小孔成像仪器：分别裁剪5个相同尺寸的易拉罐，剪掉瓶口，并分别在瓶底钻出5个大小不同的小孔。

2、 在光具座上固定一个可发出平行光线的光源，保持光源与小孔之间的距离，用5个小孔成像仪器分别观测像的大小，并进行比较。

进行实验

1、如图所示，我们制作了5个孔径大小不一的小孔成像仪器：

d=7mm

d=5mm

d=2mm

d=1mm

d<1mm

光源

光具座

遮光器用于提高成像质量，减少误差，让本实验结果更明显。

小孔与光源的距离恒定为35cm

2、 然后布置了光具座和光源：

小孔直径小于1mm时： 小孔直径等于1mm时：

小孔直径等于2mm时： 小孔直径等于5mm时：

小孔直径等于7mm时：

整理为下表

孔径大小/cm

成像清晰度

亮度

像的大小

1号瓶

<1

很清晰

很暗

很小

2号瓶

1

比较清晰

比较暗

比较小

3号瓶

2

清晰

明亮

正常大小

4号瓶

3

模糊

比较亮

比较大

5号瓶

5

很模糊

很亮

很大

得出结论：在光源与小孔距离一定时，小孔越大，成的像越不清晰。(2)

分析和论证：小孔成像的原理是这样的：

假设当小孔足够小时，成一个这样的像：

一个较大的小孔就相当于数个较小的小孔的组合，形成的像就是几个小的像的重合，自然会不清楚：

同理，小孔越大，就相当于越多的像重合，成的像也就越模糊：

二．探究影响像大小因素实验

思考与假设

猜想影响像大小有这几个因素：

1. 孔径的大小，孔径越大，像越大

2. 相机与物体的距离，距离越长，像越小

3. 半透膜与针孔的距离，距离越长，像越大

下面就针对这三个假设因素进行实验验证

实验1 探究像大小与孔径的大小的关系

由表1易得出结论: 孔径越大，成像越大。(3)

实验2 探究像大小与机物距离之间的关系

设计实验：

器材：针孔照相机(针孔与半透膜距离为10cm)，光源(F型发光二极管，长度为3cm)，光具座，刻度尺，水平工作台

实验步骤：

1. 将光源放置在光具座左端“0”刻度线处

2. 加厚度使光源中心，针孔，半透膜中心处于同一直线上，便于观察成像

3. 将针孔照相机放在3.5cm处，观察成像，量出像的长度

4. 以后每隔10cm测量一次，并记录，做7次

注：若像不能完全显示，则先量两亮点之间的距离，同比例放大

进行试验

得到以下数据:

实验次数

距离物体远近/cm

像的大小/cm

第一次

3.5

8.5

第二次

13.5

3.2

第三次

23.5

1.3

第四次

33.5

0.7

第五次

43.5

0.6

第六次

53.5

0.5

第七次

63.5

0.3

表1

观察表1可知相机与物体的距离逐渐变长，像逐渐变小，和猜想一致

得出结论：像的大小与相机与物体的距离有关，当光源与针孔半透膜之间距离不变时，相机与物体的距离越长，像越小，反之亦然。(4)

实验误差：测量误差

实验3探究像大小与半透膜针孔距离之间的关系

设计实验：

器材：针孔照相机，比针孔照相机口径略小的纸筒，光源(F型发光二极管，长度为3cm)，光具座，刻度尺，水平工作台

实验步骤：

1. 将纸筒放入针孔照相机，在外套上半透膜

2. 将光源放置在光具座左端“0”刻度线处

3. 加厚度使光源中心，针孔，半透膜中心处于同一直线上，便于观察成像

4. 将针孔照相机放置与16cm处，观察成像，量出像的长度

5. 将纸筒向外拉出1cm，观察成像，量出像的长度，以后每拉出1cm，记录1次，共做5次

注：若像不能完全显示，则先量两亮点之间的距离，同比例放大

进行试验

得到以下数据:

实验次数

半透膜和小孔的距离/cm

像的大小/cm

第一次

28.00

5.2

第二次

29.00

5.6

第三次

30.00

5.8

第四次

31.00

5.8

第五次

32.00

5.9

表2

观察表2可知半透膜和小孔的距离逐渐变长，像逐渐变大，和猜想一致

得出结论：像的大小与半透膜和小孔的距离有关，当光源与相机物体之间距离不变时，半透膜和小孔的距离越长，像越大，反之亦然。(5)

实验误差：测量误差

进一步探究

提出问题

设光源长度为L1，像长度为L2，相机与物体的距离为L3，半透膜与针孔的距离为L4，则L1，L2，L3，L4之间存在着什么关系呢？

思考与猜想

取一组数据，实验1中第一次实验，此时L1=3cm，L2=8.5cm，L3=3.5cm，L4=10cm

此时经尝试可发现

再随意的带入几组其它数据也可得到同样的结论，如：

当L1=3cm，L2=5.2cm，L3=16cm，L4=28cm时

则作出猜想

D

O

B

A

针孔

光源(长度为L1)

半透膜上的像(长度为L2)

相机与物体的距离(长度为L3)

半透膜与针孔的距离(长度为L4)

C

论证：

图1

如图1，AB∥CD，则∠BAO=∠CDO, ∠ABO=∠DCO

又∠AOB=∠DOC

则△AOB∽△DOC

则

则

则结论(4)得证：L1,L4不变，L2×L3=L1×L4,L3与L2成反比，则L3越大，L2越小

结论(5)得证：L1，L3不变，， L2与L4成正比，则L4越大，L2越大

又可发现，若L1,L3+L4=k不变、则，则L3越大，L2越小可得结论:当光源与光源半透膜距离一定时，相机与物体的距离越大，像越小。(6)

如此只要知道L1,L2,L3,L4中任意3个数的值，就能得出第4个数的值

总结

经过以上探究实验与论证，对于针孔照相机的小孔成像原理已有了一个充分的认识。

以下两个因素会对像的清晰度造成影响：

1. 环境中的光线，光线越强，清晰度越差，反之亦然。 解决方法：加遮光器

2. 与孔径的大小有关，孔径越小，越清晰

以下三个因素会对像的大小造成影响：

1. 孔径的大小，孔径越大，像越大，反之亦然。

2. 相机与物体的距离，距离越长，像越小，反之亦然。

3. 半透膜与针孔的距离，距离越长，像越大，反之亦然。

4. 当光源与光源半透膜距离一定时，相机与物体的距离越大，像越小

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