CN101075383A - 一种探究光影成像原因的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种探究光影成像原因的实验装置。本发明提供的一种探究光影成像原因的实验装置主要包括：一个底板(1)；在所述的底板(1)两侧有双凹槽条(2)，在下凹槽中用底板固定；各种竖板，其可在所述的槽条(2)内滑动；本发明提供的一种探究光影成像原因的实验装置结构简单、使用方便，通过对其的演示，可大大提高人们，特别是学生们对于光学成像原因的了解和认识，本实验装置有助于将课本上的知识通过实验装置来进行演示，由此，本发明具有较好的推广应用前景。

Description

一种探究光影成像原因的实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种探究光影成像原因的实验装置。

背景技术

在中学物理课程中，有凸透镜成像的学习内容与实验，人们也知道人眼结构与照相机透镜成像相似，然而对为什么物体光线通过凸透镜或小孔会成一个或数个倒像的原因，对遮挡成像的影子成因及方向不甚了解，尤其是为什么在眼前放一张有小孔的纸并通过小孔观察物体时物体会变小的原因，为什么人眼比透镜成像实验有更深的景深，瞳孔在人眼成像中的作用更不了解。为了能对上述问题进行探究，有必要设计与制作了一种像影光学实验装置，并用其设计了十几个小实验并进行了分析，作为对上述光学现象的探究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，便于操作使用的一种探究光影成像原因的实验装置。

本发明提供的一种探究光影成像原因的实验装置主要是用一个底板，两侧有双凹槽条，在下凹槽中用底板固定，可使各种竖板在其槽内滑动，主灯泡可使灯丝发光，通过透镜在光屏上显示，副灯泡是小彩色灯泡，可显示像的上下方向，小孔板可做小孔成像实验与小孔透镜复合成像实验，多圈板是供做凸透镜各部分在成像中所起作用不同的实验用，凸透镜有单凸透镜、双凸透镜、球透镜三种，可做不同透镜的不同成像特性实验，光屏有平板式与凹式，可比较二者区别，演示照相机中胶片与眼睛中视网膜的区别。

具体地来讲，本发明提供的一种探究光影成像原因的实验装置，主要包括：一个底板；在所述的底板两侧有双凹槽条，在下凹槽中用底板固定；各种竖板，其可在所述的槽条内滑动；在最前方的第一竖板上有主灯泡可使灯丝发光，产生成像的物体像，通过透镜在光屏上显示；在所述的第一竖板上还有副灯泡，其是小彩色灯泡，可显示像的上下方向；在所述的第一竖板后面间隔一段有所述的第二竖板，上面安装有激光电筒；在所述的第二竖板后面间隔一段有所述的小孔板，可做小孔成像实验与小孔透镜复合成像实验；在所述的小孔板后面间隔一段有所述的多圈板，是供做凸透镜各部分在成像中所起作用不同的实验用；在所述的多圈板后面间隔一段有所述的凸透镜板，可做不同透镜的不同成像特性实验；在所述的凸透镜板后面还有所述的光屏板，可显示成像的图像。

本发明提供的一种探究光影成像原因的实验装置结构简单、使用方便，通过对其的演示，可大大提高人们，特别是学生们对于光学成像原因的了解和认识，本实验装置有助于将课本上的知识通过实验装置来进行演示，由此，本发明具有较好的推广应用前景。

下面，结合附图和实施例详细说明依据本发明提出的具体装置的细节及工作情况。

附图说明

附图1为物体通过透镜后的成像示意图。

附图2为用不同形状遮光板遮挡透镜的成像示意图。

附图3为当物体发出白光通过小孔后能在光屏上产生一个倒的像，移动三者距离仍能产生像。

附图4为本发明提供的一种探究光影成像原因的实验装置优先实施例的结构示意图。

附图5a-5c为凸透镜只会产生一个倒的实像结构示意图。

附图6a-6b当针放在凸透镜的向一物体一侧面时不会产生影的成像示意图。

附图7a-7b为物体光通过小孔后所形成多个倒立的像的成像示意图。

附图8a-8b为针在小孔成像中所产生影的方向的成像示意图。

附图9a为为什么透镜在靠物体一侧加一小孔会使像变得清晰的成像示意图。

附图9b为为什么在透镜靠物体一侧加一小孔会使像有更大景深的成像示意图。

附图10a-10c为为什么人眼观物比透镜成像实验有更深的景深的成像示意图。

附图11a-11b为为什么瞳孔的直径不会很大的成像示意图。

附图12a-12b为只有当有小孔纸放在人眼15毫米处才能看到反方向移动的针影的成像示意图。

附图13为为什么当人眼通过小孔观察物体会比直接观察该物体要小一些的成像示意图。

具体实施方式

如附图1所示，当物体发出光通过凸透镜会在其另一面的某一位置产生一个倒立的实像，这是照相机成像原理，也是人眼观察物体的基本机理。不完整的凸透镜也能将物体发出的光成像，仅像的亮度暗一些罢了。当用物体遮挡住凸透镜一部分也能成像，仅像的亮度暗一些罢了。

操作：用不完整的凸透镜取代完整的凸透镜。

结果：仍能产生一个倒立实像，仅亮度暗一些。

分析：这是因为凸透镜的每一个部分的折射都能成像。

如附图2所示，用不同形状遮光板遮挡透镜。

结果：仍能在光屏上产生倒立的像，但光亮度会随遮挡部分大小而变化。

如附图3所示，当物体发出白光通过小孔后能在光屏上产生一个倒立的像，移动三者距离仍能产生像。

当将有小孔纸片放在眼前15毫米处，再用一根针在眼睛前晃动，可在小孔内看到一个运动方向相反的针影，人们认为这是因为影子总与像相反所引起的，而且是因为有小孔纸起了一个点光源的作用，人眼的焦距是15毫米。

这样，就会产生如下的问题：

1、为什么凸透镜只会产生一个倒立的实像？

2、为什么凸透镜成像的景深特短？而人眼的景深为什么比它深？

3、为什么当针贴在眼睛上或凸透镜上会看不见针影？

4、针在凸透镜成像与小孔成像中都只会产生与像相反的影吗？

5、为什么当物体光线通过小孔后会在不同位置都能产生倒立的实像？而这个实像景深很长？

6、为什么当凸透镜前加一个小孔后会使像有很大影深？

7、为什么当凸透镜前加一个小孔后会使像变得更清晰？

8、人眼的瞳孔仅仅是起一个调节光线亮暗的作用吗？

9、为什么所有动物眼睛的瞳孔均在眼球的四分之一以内？

10、只有将有小孔纸放在离人眼15毫米处才能看到针影吗？

11、是否用光路方法更能解释针影相反的现象？

12、为什么每一个人做该实验最佳距离会不一样？

13、为什么当人眼通过小孔观察物体比直接观察要小一些？

14、为什么当人们通过有小孔观察灯泡钨丝会损伤视力？

15、人眼比照相机有更大景深的原因是什么？

为了较好地解决上述问题，本发明在优先的的实施例就提出了一种探究光影成像原因的实验装置。如附图4所示，其主要包括

一个底板1；

在所述的底板1两侧有双凹槽条2，在下凹槽中用底板固定；

各种竖板，其可在所述的槽条2内滑动；

在最前方的第一竖板3上有主灯泡4可使灯丝发光，产生成像的物体像，通过透镜在光屏上显示；在所述的第一竖板3还有副灯泡5，其是小彩色灯泡，可显示像的上下方向；

在所述的第一竖板3后面间隔一段有所述的第二竖板6，上面安装有激光电筒；

在所述的第二竖板6后面间隔一段有所述的小孔板7，可做小孔成像实验与小孔透镜复合成像实验，

在所述的小孔板7后面间隔一段有所述的多圈板8，是供做凸透镜各部分在成像中所起作用不同的实验用；

在所述的多圈板8后面间隔一段有所述的凸透镜板9，其有单凸透镜、双凸透镜、球透镜等多种形式，可做不同透镜的不同成像特性实验；

在所述的凸透镜板9后面还有所述的光屏板10，其可有平板式与凹式，可比较二者区别，演示照相机中胶片与眼睛中视网膜的区别。

实例1、凸透镜只会产生一个倒的实像

实验1：凸透镜面上各点都会产生同一个像。

操作：用一笔形激光电筒放在离一较大透镜一侧，先移动光屏使灯泡灯丝在光屏上清晰显示后保持距离不变，移动激光电筒，将激光照在凸透镜的各个面上。

结果：会在其成像面上的一个相同点汇距。

分析：凸透镜成像的原理是在凸透镜的每一个部分都能使物体在凸透镜另一侧的某一光屏上产生一个相应的像。几是各曲面处曲面值相同的凹透镜都能进行凸透镜成像实验，包括：单曲面透镜、双曲面透镜和球形透镜，如图5a-5c所示。

实例2、为什么当针放在凸透镜的向一物体一侧面时不会产生影，如附图6a-6b所示。

实验2：针放在物体与光屏之间各个位置。

操作：(1)将针放在物体与透镜之间，靠近物体(A)处。

(2)将针放在物体与凸透镜靠在透镜(B)处。

(3)将针放在靠近透镜(C)处。

(4)将针放在靠近光屏(D)处。

结果：仅在(B)、(C)处时光屏上没有针影。

分析：这是因为(B)、(C)处会有多条光路线通过，这也是因为为什么做严济慈所述实验需有有小孔纸的原因。

实例3、针在透镜成像中只会产生一个与实物方向相同的影吗？如附图6所示。

实验3：针在靠近物体憧的影的方向。

操作：(1)将针放在物体前晃动，如图6(b)中A处。

(2)将针放在光屏间晃动，如图6(b)中D处。

结果：(1)会产生与物体方向相同的影。(2)会产生与物体方向相反的影。

分析：这是因为(1)处于光线方向未发生变化前，而(2)处于光线通过焦距后方向发生改变。

实例4、物体光通过小孔后所形成多个倒立的像，如附图7a-7b所示。

实验4：物体光通过小孔后的像及它的景深。

操作：将灯泡光通过小孔并在小孔另一端放一个光屏，并且移动光屏。

结果：均能在一定范围内产生清晰的倒像。

分析：在物体光通过小孔后能在多个不同位置的光屏上产生清晰的像，这说明小孔成像与透镜成像不一样，这也是许多人不承认小孔成像这一概念的原因。

实例5、针在小孔成像中所产生影的方向，如附图8a-8b所示。

实验5：针在小孔成像中影的方向。

操作：(1)针在灯丝前晃动，如图8(a)处。

(2)针在光屏前晃动，如图8(b)处。

结果：(1)会在光屏上产生一个与像方向一样的影。(2)会在光屏上产生一个与像相反方向的影。

分析：针在灯丝前晃动时挡住的光方向未变，所以影与物体方向一致，针在光屏前晃动时所挡住的光方向已因通过小孔时发生变化，所以影与物体的方向相反。

实例6、为什么透镜在靠物体一侧加一小孔会使像变得清晰，如附图9a所示。

实验6：小孔能使透镜成像更清晰。

操作：在透镜前加一小孔。

结果：光屏上的像会变得清晰。

分析：凸透镜的边缘区域不利于物体发出光成像，会形成散射，小孔能遮挡住光照射到凸透镜边缘，只利用其中间部分成像，所以像会变得更清晰。

实例7、为什么在透镜靠物体一侧加一小孔会使像有更大景深

实验7：小孔能使透镜成的像的景深加强。

操作：在透镜靠灯泡一侧加小孔后移动光屏，如图9(b)所示。

结果：光屏上的景仍很清晰。

分析：这是因为物体通过小孔加在透镜中央部分后所产生的像在像距与物距较大变化时所产生的像大小变化不大；而当物体光照射在凸透镜边缘在光屏上所产生的像很容易受像距、物距的变化而造成其大小有较大变化所致。

实例8、为什么人眼观物比透镜成像实验有更深的景深，如附图10a-10c所示。

这是因为有四个原因：

(1)人眼的瞳孔有使物体光仅能通过晶状体中间部分，而透镜成像实验是光通过全部透镜面。

(2)人眼的视网膜是球状，而凸透镜成像是用平面光屏。

(3)人眼的视网膜上的视觉神经有纵深分布，而光屏是平面分布。

(4)人眼的晶状体眼球有极短的焦距极长的物距，而一般透镜实验采用普通双凸透镜、焦距较长，而物距较短。

实验8：

操作：(1)在凸透镜靠实物面加一小孔。

(2)将平面光屏高为半球面光屏。

(3)将光洁的半球光屏改为毛面光屏。

(4)将球形透镜取代变通透镜缩短焦距。

移动物体与透镜之间的物距，如图10(c)。

结果：在光屏上的有清晰的像。

实例9、为什么瞳孔的直径不会很大，如附图11a-11b所示。

实验9：小孔直径大小对像清晰度的影响。

操作：(1)采用激光电筒照射球透镜的中央和边缘部分，如图5(b)。

(2)采用不同直径的小孔，如图11。

结果：(1)当激光照射在边缘部分，在光屏上的激光点会发生偏移，如图11(a)。

分析：只有透镜的中央部分能使物体在视网膜上成清晰的像，这也是所有较高级动物的眼睛都有瞳孔，并且瞳孔大小不会超过眼睛晶状体直径二分之一的原因。

实例10、只有当有小孔纸放在人眼15毫米处才能看到反方向移动的针影吗？如附图12a-12b所示。

实验10：小孔离凸透镜之间距离对像与影的影响。

操作：小孔

(1)如图12(a)所示，将有小孔纸在眼前移动。

(2)采用如图9的零件，移动小孔的位置，如图12所示。

结果：在一定范围(100毫米)内均在光屏上有清晰的图像。

实例11、为什么当人眼通过小孔观察物体会比直接观察该物体要小一些，如附图13所示。

实验11：通过小孔观察物体比较与直接观察大小的区别。

操作：(1)将一有小孔纸放在眼前并通过小孔观察一物体，再与直接观察该物体大小进行比较，如图12(a)所示。

(2)将有孔纸放在凸透镜前后进行迅速拿开，比较光屏上像的大小，如图12(b)所示。

结果：通过小孔的像均比直接产生的像要小。

分析：从光路图所示，如图13所示。

实例12、为什么近视者通过小孔观察远处原来模糊的物体会变得清晰。

实验12：通过小孔看远处物体能提高清晰度。

操作：用一针在纸片上戳一个直径在1～2毫米的小孔，再贴在眼睛上观察远处物体。

结果：远处原来模糊的物体会变得清晰。

分析：这是因为克服了晶状体屈光度不一致所产生的散射光所致。

综上所述，本发明通过一系列实验及分析后可得出结论，认为：

1、针在成像实验中有可能产生与实物方向相同的影，也有可能方向相反的影。

2、在凸透镜成像的凸透镜前加一小孔，能使像更清晰，有更深的景深。

3、在用眼睛通过小孔观察物体比直接观察的物体要小，其原因可用光路图进行解释。

4、眼睛的瞳孔不但有调节光线强弱的作用，而且有改善清晰提高景深的效果。

5、将小孔不但放在离眼睛15毫米处，而且在100毫米范围内都能观察到孔内针的倒影。

6、用光路图与小孔与眼睛晶状体复合成像原理更能使学生理解该实验原理。

7、由于每个人眼睛的屈光度不一样，所以做该实验的有孔纸离眼睛的最佳距离是各不相同的。

8、在眼睛前加一小孔可使远处景物的清晰度提高，可在这个基础上研究出一种治疗近视眼的方法。

9、当用人眼通过小孔观察灯泡钨丝时间稍长会损伤视力，要小心，更不能通过凸透镜直接观察太阳。

由此，本发明具有较好的实验演示功能，其可在中小学教学中进行广泛的使用，可大大提高教学的水平和效果。

Claims (3)

1、一种探究光影成像原因的实验装置，其特征在于该实验装置主要包括：

一个底板(1)；

在所述的底板(1)两侧有双凹槽条(2)，在下凹槽中用底板固定；

各种竖板，其可在所述的槽条(2)内滑动；

在最前方的第一竖板(3)上有主灯泡(4)可使灯丝发光，产生成像的物体像，通过透镜在光屏上显示；在所述的第一竖板(3)上还有副灯泡(5)，其是小彩色灯泡，可显示像的上下方向；

在所述的第一竖板(3)后面间隔一段有所述的第二竖板(6)，上面安装有激光电筒；

在所述的第二竖板(6)后面间隔一段有所述的小孔板(7)，可做小孔成像实验与小孔透镜复合成像实验；

在所述的小孔板(7)后面间隔一段有所述的多圈板(8)，是供做凸透镜各部分在成像中所起作用不同的实验用；

在所述的多圈板(8)后面间隔一段有所述的凸透镜板(9)，可做不同透镜的不同成像特性实验；

在所述的凸透镜板(9)后面还有所述的光屏板(10)，可显示成像的图像。

2、根据权利要求1所述的一种探究光影成像原因的实验装置，其特征在于所述的凸透镜板(9)上有单凸透镜、双凸透镜、球透镜等多种形式。

3、根据权利要求1所述的一种探究光影成像原因的实验装置，其特征在于所述的光屏板(10)可有平板式与凹式，可比较二者区别，演示照相机中胶片与眼睛中视网膜的区别。

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