论文：《太阳光斑之我见》.doc

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1、 （教育教学论文）太阳光斑之我见作者：何林保（婺源县古坦学校）太阳光斑之我见 古坦学校何林保内容摘要：树荫下圆形光斑与非圆形光斑的成因是：当地面到树叶缝隙的距离相对于缝隙的口径足够大时，所成的光斑的形状都与太阳的形状相似(即“小孔成像”），而与树叶缝隙的形状无关；当地面到树叶缝隙的距离相对于缝隙的口径不够大时，不能成像，只能得到与树叶缝隙形状相似的光斑。大、小孔都有可能成像，也都有可能不成像；所谓“小孔成像”中的“小孔”只是相对而言的。关键词：太阳光斑、小孔成像、孔的口径、物的大小、相对在阳光下的树荫中，常常可以看到地面上有许多圆形的和非圆形的光斑。学了小孔成像的知识后，知道圆形光斑应该是小孔

2、所成的太阳的像，那么，非圆形的光斑又是怎么形成的呢？这便激发了学生们的好奇心。光斑的形状跟树叶缝隙的形状、大小以及地面到缝隙的距离有联系吗？为此，我带领几位学生成立课题小组，采用模拟实验的方法，开展了一次探究性学习活动。 在探究的最初阶段，这几位学生设计了如下试验方案，并收集实验证据，初步得出了相关结论。方案是这样的：(1)让太阳光通过纸板上各种不同形状的大、小孔垂直射到近处的光屏上，观察所有光斑的形状。(2)让太阳光通过纸板上各种不同形状的大、小孔垂直射到较远处的光屏上，观察所有光斑的形状。实验现象是：光屏离孔较远时，小孔所成光斑的形状都是圆的（即“小孔成像”），而大孔不能成像，只能得到与孔

3、形相似的光斑；光屏离孔较近时，大、小孔都不能成像。于是，通过分析实验现象他们得出了这样的结论：小孔有可能成像，也有可能不成像；大孔则不能成像。 问题就出在成果汇报这一环节上。汇报后，其他学生就到树阴下探寻太阳的“影子”去了。正好阳光明媚，效果也非常明显，但接下来的问题大了。一些学生让太阳光通过纸板上不同大小、形状的孔洞时，得到了两个不同的结果：有的学生探究时，小孔所形成的光斑都是圆形的，是太阳的象；可也有一部分学生实验时，不论是大孔还是小孔，纸板离地近些时，光斑外形与孔的形状相似，离地足够远时，光斑为圆形。怎么回事？轻易地作出结论或假设难免会有诸多纰漏。最初的探究，课题组的几位成员并未考虑到孔

4、与光屏间距离的更大变化会对实验结果产生很大的影响，这也是未能很好地运用控制变量法所造成的。于是，我又让他们拿着纸板到太阳底下去“探究”了一番。现象是：当光屏离孔足够远时，大孔所成光斑的形状也与太阳的形状相似(即“小孔成像”）；当光屏离孔足够近时，大、小孔都不能成像，只能得到与孔形相似的光斑。情况果真如其他部分学生所做。实验表明：1、树荫下圆形光斑与非圆形光斑的成因是：当地面到树叶缝隙的距离相对于缝隙的口径足够大时，所成的光斑的形状都与太阳的形状相似(即小孔成像），而与缝隙的形状无关；当地面到树叶缝隙的距离相对于缝隙的口径不够大时，不能成像，只能得到与缝隙形状相似的光斑。2、大、小孔都有可能成像

5、，也都有可能不成像；所谓“小孔成像”中的“小孔”只是相对而言的。如此看来，孔的口径和孔到光屏的距离都是关乎“小孔”成像与否的两个相关因素。那么，这两个因素与像的形成究竟有什么样的定性关系呢？对此，我特意给他们进行了作图分析。 “小孔” 甲图如甲图所示，太阳光可看作是由太阳表面上无数个发光点(点光源）所发出的光组成的。根据光的直线传播原理可知，每个发光点通过孔洞的光以近乎垂直的方向射向光屏后，所形成的光斑形状都应与孔的形状相同。当光屏离孔足够远时，各发光点所对应的光斑的位置分布情况与各发光点的位置分布情况相反，但整体形状仍与各发光点所组成的形状（即太阳的圆面）相同，因而所看到的整个光斑是圆的（太

6、阳光斜射入光屏时，便成椭圆形）；当光屏离孔足够近时，各发光点所对应的光斑位置几乎重合，因而所看到的整个光斑的形状便与孔的形状相似。之后，我又同他们一起用光路图进行了分析，并用数学上相似三角形的知识作了进一步的论证： A H.u.d.“小孔”.v.C B 乙图如乙图所示，物体AB边缘各点发出（或反射）的光通过小孔形成的光斑只要不位于图中虚线左边，就不会有任何重叠部分，此时，整个光斑的形状才有可能与物体外形相同（即“小孔成像”）。若刚好成像于虚线位置，则由ABCDEC得v/d = (v + u)/h,化简得v = ud/(h - d)。所以，要使“小孔”能成像则应满足： vud/(h - d)，也

7、即v/d（v + u）/h .由丙图可知，当hd时，物体AB边缘各点发出（或反射）的光通过小孔形成的光斑总会有相互重合的部分，此时，整个光斑的形状不可能与物体外形相同。因此，要使“小孔”能成像还应满足： hd 。综述可得： 3、“小孔”成像必须同时具备两个条件： 、 vud/(h - d)或v/d（v + u）/h 、 hd （注:v指孔到光斑的距离；u指物到孔的距离；d指孔的口径；h指物的大小） A h d B丙图 至此，他们算是弄明白了树荫下圆形光斑与非圆形光斑的成因。课外，我又指导他们做了一次非常有趣的实验：让镜子(方形或不规则形）将太阳光反射到天花板或墙壁上，结果出现了一些有趣的现象：

8、小碎镜照出的光斑是圆的；较大的镜子照到远处时的光斑也是圆的，而照在近处时的光斑形状则与镜子的形状相似。这再一次在他们的心中打下了一个大大的问号，使他们不得不去积极的思索与探讨。诚然，这完全可用我们所得的结论去解释，只不过，还得运用光的反射和平面镜成像知识。于是，我便再一次指导他们进行了绘图分析：如丁图所示，假设从光斑处向镜片看，这时，我们将会发现镜中太阳的虚像（平面镜成像）。而小碎镜照出来的圆形光斑则是太阳的实像，这与小孔成像的原理极为相似。如果说碎镜片是“小孔”的话，那么光斑就是“像”，太阳在镜中的虚像则是“物”。而大镜子照出不同光斑的现象也与前面探究小孔成像实验中的两种情况相同，只是各发光

9、点对应的光斑是由反射光组成的。其实，若让小碎镜将光斑照在近处光屏上，只要光屏离小碎镜足够近，照出的光斑也并非圆形，而是与碎镜面的外形相似，因为此时各发光点对应的光斑也几乎是重合的。通过讲解，他们总算理解了其中的道理。学以致用，在收获成功的同时，他们也收获了一份自信与喜悦。 实像 物体 - 碎镜（“小孔”） 虚像 （“物”） 丁图 秋高气爽，阳光明媚，碧空万里。透过明净的窗户，看着对面墙上被阳光印上去的窗的“影子” ，不免让人产生无限的遐想：倘若墙壁足够大且离窗户足够远，那这“影子”就该是太阳的“影子”了；倘若此时遥远的天际只有一道阳光，那它照射大地时，也一定会在辽阔的大地上形成了一个巨大的太阳的“影子”吧 。 是的，自然界总是那么神奇，然而，神奇中总会蕴含着许多亘古不变的道理。其实，有关本课题的研究还不应结束，科学研究中的许多结论是需要实验数据来说明的，对于本次推论，还有待作进一步的实验探究来证实。再者，像的清晰度、明暗等方面的变化又是什么原因造成的呢？所有这些，都向我们呈现出了一扇扇探索之门，其中的奥妙强烈催促着我们刻苦学习!奋勇拼搏!不断前进！