劉曼

摘要：文章通過(guò)對(duì)晴天正午樹(shù)蔭下的光斑進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其形狀和亮度有區(qū)別，提出了“樹(shù)蔭下光斑的形狀與哪些因素有關(guān)”這一問(wèn)題.利用太陽(yáng)、卡片等分組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析論證得出相應(yīng)的結(jié)論，并總結(jié)出樹(shù)蔭下光斑的形狀與哪些因素有關(guān).同時(shí)在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，在孔大小逐漸變小時(shí)，不規(guī)則光斑和圓形光斑的亮度變化情況，對(duì)小孔成像有了新的認(rèn)識(shí).

關(guān)鍵詞：光斑；亮暗；小孔成像

中圖分類(lèi)號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2023）32-0104-03

晴天正午，從樹(shù)蔭下走過(guò)會(huì)看到地面上有一些光斑，如圖1.這些光斑的形狀不同，有些是圓形，有些是不規(guī)則形狀，仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些光斑的大小、亮度均有所不同.那么你是否思考過(guò)，地面上的光斑是如何形成的呢？為什么圓形光斑較小較暗？光斑的大小可能與什么因素有關(guān)？ 光斑的亮暗可能與什么因素有關(guān)？光斑的形狀可能與哪些因素有關(guān)？

就“光斑的形狀可能與哪些因素有關(guān)？”這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)生猜想，光斑的形狀與葉子的大小和形狀有關(guān).帶著這些問(wèn)題，我們環(huán)顧四周，如圖2.通過(guò)仔細(xì)觀察光斑周?chē)那闆r，光能照到的地方即為光斑，光照不到的地方即為影子.我們發(fā)現(xiàn)，不管是圓形光斑還是不規(guī)則形狀的光斑，它們都是太陽(yáng)光通過(guò)樹(shù)葉與樹(shù)葉之間的縫隙在地面上形成的，而且樹(shù)葉與樹(shù)葉之間縫隙的大小不同，縫隙的形狀不同，縫隙到地面的距離不同，縫隙到太陽(yáng)的距離也不同（由于太陽(yáng)到地球的距離很遠(yuǎn)，每個(gè)縫隙到太陽(yáng)的距離差距是很微小的，因此實(shí)驗(yàn)中可以忽略不計(jì)，后面我們就不再研究此因素）.

探究樹(shù)蔭下光斑的形狀與哪些因素有關(guān)，我們提出猜想，影響樹(shù)蔭下光斑形狀的因素可能有：（1）樹(shù)葉間縫隙的形狀；（2）樹(shù)葉間縫隙的大??；（3）縫隙到地面的距離.我們要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證猜想，采用控制變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)無(wú)法確定某個(gè)光斑是光透過(guò)哪一個(gè)樹(shù)葉的縫隙形成的，也看不清楚縫隙的形狀，因此要設(shè)法創(chuàng)造可控制的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn).先要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，具體方法是在卡片紙上開(kāi)孔，用孔來(lái)替代樹(shù)葉間的縫隙進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

1 光斑形狀與孔的形狀有什么關(guān)系

首先要控制孔的大小和孔到地面的距離不變，改變孔的形狀.我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以對(duì)角線或直徑作為孔徑更為準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)可分兩組進(jìn)行.

形狀不同的孔形狀不同的孔第一組：取孔的大?。讖剑┚鶠? cm， 形狀不同，如正方形、三角形、菱形、圓形的卡片，如圖3所示.將其置于白紙上方約1 m處，讓太陽(yáng)光（正午左右）透過(guò)小孔.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示，觀察白紙上光斑的形狀和亮度，實(shí)驗(yàn)記錄如表1，得到結(jié)論：光斑的形狀與孔的形狀有關(guān).

第二組同樣取孔的形狀分別為正方形、三角形、菱形、圓形，如圖5所示.并將卡片置于白紙上方約1 m處，讓太陽(yáng)光（正午左右）透過(guò)小孔，觀察到的光斑形狀卻與第一組不同，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示，實(shí)驗(yàn)記錄如表2，都近似為圓形，通過(guò)分析得到結(jié)論：光斑形狀與孔的形狀無(wú)關(guān).

造成兩組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果不同的原因是，第一組所取孔的大小（孔徑）為2 cm，第二組為1 mm.于是這兩組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)一步告訴我們，光斑的形狀可能與孔的大小有關(guān).

2 光斑形狀與孔的大小有什么關(guān)系

首先要控制孔的形狀和孔到地面的距離不變，改變孔的大小.

設(shè)計(jì)1：如圖7，大小不同的圓形孔.是否可行：否.理由：光斑均是圓形，分不清圓形的光斑到底是太陽(yáng)的像還是孔的形狀.

設(shè)計(jì)2：除了圓形，其他形狀均可.這里選擇了在同一張卡片上挖大小不同的三角形孔，如圖8所示，這樣設(shè)計(jì)的好處是，既可以控制像距一定，也可以直接在一張白紙上看到光斑的形狀，便于直接比較和分析.接下來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察光斑的形狀和亮度，實(shí)驗(yàn)記錄如表3.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖9所示，于是我們得到結(jié)論：光斑形狀與孔的大小有關(guān).孔大時(shí)，光斑的形狀為孔的形狀；孔較小時(shí)，光斑的形狀為圓形，即太陽(yáng)通過(guò)小孔形成的像［1］.

設(shè)計(jì)3：在卡片上開(kāi)一孔，孔徑約為3 cm，用另一張無(wú)孔卡片遮擋孔的一部分， 讓太陽(yáng)光透過(guò)卡片照射到地面上的白紙上，移動(dòng)覆蓋卡片改變孔的大小，但是孔的形狀不能改變.因此孔的形狀的選擇尤為重要，如圖10所示，按照箭頭方向水平覆蓋孔，孔的大小在改變，但形狀不能變，因此，應(yīng)選擇A圖中孔的形狀來(lái)做此實(shí)驗(yàn)，即為覆蓋法［2］.這樣設(shè)計(jì)的好處是，可以連續(xù)改變孔的大小，觀察光斑形狀的連續(xù)變化.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖11所示，實(shí)驗(yàn)記錄如表4，得到結(jié)論：光斑形狀與孔的大小有關(guān).孔大時(shí)，光斑的形狀為孔的形狀；孔較小時(shí)，光斑的形狀為圓形，即太陽(yáng)通過(guò)小孔形成的像.

通過(guò)仔細(xì)觀察設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)3卡片的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們還發(fā)現(xiàn)：孔較大時(shí)，即光斑形狀為三角形時(shí)，隨著孔的大小逐漸減小，光斑的大小也在減小，但是亮度不變；孔較小時(shí)，即光斑形狀為圓形時(shí)，隨著孔的大小逐漸減小，光斑的大小不變，但是光斑的亮度變暗.

不管是大孔成的光斑的形狀，還是小孔成的太陽(yáng)的像，其原理都是光沿直線傳播［3］.孔較大時(shí)，太陽(yáng)光（平行光）沿直線傳播經(jīng)過(guò)大孔，照到地面上，形成與孔形狀相似的光斑，光斑的大小等于孔的大小；隨著孔的大小逐漸減小，進(jìn)入大孔的光變少，由于光沿直線傳播，所以光斑的形狀仍為孔的形狀，大小仍等于此時(shí)孔的大小，所以光斑的大小變小.在這種情況下，當(dāng)孔的大小逐漸減小時(shí)，進(jìn)入孔的光照強(qiáng)度變小，光斑的面積也變小，其實(shí)光斑單位面積上的光照強(qiáng)度不變，即亮度不變.

接下來(lái)我們分析孔較小時(shí)的情況，如圖12，太陽(yáng)光沿直線傳播經(jīng)過(guò)小孔成像，形成與太陽(yáng)形狀相似的光斑，即圓形光斑，光斑的大小即像的大小取決于物的大小、太陽(yáng)到孔的距離（物距）、孔到地面的距離（像距），與孔的大小無(wú)關(guān)（前提是還是小孔成像的情況下）.小孔成像，隨著孔的大小逐漸減小，光斑的形狀仍為圓形，光斑的大小不變；但是由于孔變小了，進(jìn)入孔的太陽(yáng)光變少，即光照強(qiáng)度變?nèi)酰獍叩拿娣e不變，則光斑單位面積上的光照強(qiáng)度變?nèi)?，即亮度變?

通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)探究了樹(shù)前下的光斑與孔的形狀、孔的大小的關(guān)系，同時(shí)，加深了我們對(duì)“小孔”的理解.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉炳昇，李容. 物理教師教學(xué)用書(shū)（ 八年級(jí)上冊(cè)）［M］．南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[2] 劉友余.對(duì)“探究樹(shù)蔭下的光斑”一文的商榷：由一道中考題引發(fā)的思考[J].湖南中學(xué)物理，2014，29（11）：69-70.

[3] 周小奮.探究樹(shù)蔭下的光斑[J].物理教學(xué)，2013（5）：12-13.

［責(zé)任編輯：李璟］