“小孔成像”之我見

韋強

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2017）12-0193-01

小孔成像作為大家所熟知的一種光學現象，是光直線傳播的有力依據。但"小孔成像"的"像"到底是什么，這一直是一個很有爭議的問題，不少人認為："小孔成像"的"像"本不是像，而是影。就此我來談談個人的觀點。

我認為"小孔成像"成的是像，理由有三點：

第一，母國光等所編的《光學》中對于像的概念是這樣定義的："自物點發出的光束，經光學系統后，若仍保持為單心光束，則這個經過系統后的光束的心稱為光學系統對該物點成的像點"。由于由物點發出的光在空間呈輻射狀，它們經小孔后不可能會聚，亦即經小孔后的光束并非是單心光束。但由于小孔對光束有限制作用，若小孔很小，則通過小孔的光束也就很細，且通常物點與小孔間的距離較大，故通過小孔的細光束的發散程度也就很小，該光束在屏上形成的光斑當然也就很小，以至于可近似看作是像點。[1]

第二，《辭?！分嘘P于"像"的定義："從物體發出的光線經過光具組（透鏡、鏡、棱鏡或它們的組合）所形成的與原物相似的圖景"，這里對"光具組"的舉例說明中盡管未明確列出具有特殊性的小孔的情況，但應當看到，《辭?！分性?像"條目次頁的"光具組"條目中便指出光具組也包括光闌（對光束起限制作用的孔）等在內。而在"光闌"的條目中則進一步明確指出"光闌"是光學儀器（光具組）的一種元件。而當光闌很小的時候不就是小孔嗎？因此我認為，《辭?！分嘘P于"像"的定義來看，"小孔成像"成的是像。[1]

第三，大約2400年前，我國杰出的科學家墨翟和他的學生做了世界上第一個小孔成倒像的實驗：在一間黑暗的小屋朝陽的墻上開一個小孔，人對著小孔站在屋外，屋里相對的墻上就出現了一個倒立的人影。墨翟用光的直線傳播解釋了小孔成倒像的原理：光穿過小孔如射箭一樣，是直線行進的，人的頭部被遮住了上面的光，成像在下邊，人的足部被遮住了下面的光，成像在上邊，就形成了倒立的像。從墨翟對"小孔成像"成像原理解釋中，可以看出"小孔成像"成的是像。[2]

以上三點足以說明了"小孔成像"成的是像，至于是不是"影"呢？我們來認識一下"影"的定義：光在直線傳播過程中，遇到不透明的物體，在光不能到達的區域形成的陰影區部分叫做影子，簡稱為"影"，如生活中手影、皮影。通過小孔所成的像是很細的光束在屏上形成的光斑，顯然不是"影"。另外，從反映的對象來看，影是反映不透明的遮光體的情況，像是反映發光體的情況；從反映的情況看，影只是大致地反映遮光體的輪廓，輪廓以內便無層次可言，而像卻可形象而具體地再現發光體的表面情況（如起伏性、光潔度及色彩）及人物的表情、神態等。通過小孔成像獲得的人的像，不但可看到人的輪廓情況，甚至還可以看清人物的面部表情，這和影的輪廓以內盡是黑暗區域的情況是有本質區別的。僅此即可說明小孔成像的"像"是像而不是影。[1]

但是，"小孔成像"成的"像"與通過光具組所成的像是不可混同的。

第一，兩者的成因不同。圖1表示的是光點A發出的光通過凸透鏡形成實像點A'。可以看出，在不考慮像差的理想條件下，光點發出的是同心發散光束，形成實像點的是同心會聚光束。在可以顯現"小孔成像"的情況下，小孔相對于光點是足夠大的（否則，將會出現衍射現象），如圖2所示，光點B發出的光通過小孔后仍是一細光束，光的傳播方向不會改變，因而投射到小孔右方屏上的是發散光束。

第二，兩者的位置不同。理想像點的位置是唯一的（每個像點對應一個物點），像圖1那樣形成實像時，光屏只有位于透鏡右方光束的會聚點A'，無論是向右移還是向左移，顯現的圖像都會變大，而且都會變得模糊不清。在圖2中，"像"的位置是不確定的，光屏離小孔遠點近點，都會顯現相似形狀的圖像，只不過是光屏越靠近小孔，圖像愈小愈明亮。

第三，撤去圖1中的光屏，眼睛在A'的右方注視左方，接收到的光束猶如從A'發出，因而會看到光點A似在A'的位置上。若眼睛在圖2中小孔的右方向左看，接收到的光束仍然是從B點發出的而不是從小孔右方放置光屏處發出的，因而看到的光點B沒有改變位置。[3]

由此可見，"小孔成像"成的是"像"，而不是"影"。但同時我們也要看到"小孔成像"成的"像"和光具組成的"像"是有區別的。

參考文獻：

[1]孫大君，也談"小孔成像"的"像"，物理教師，1993（3），29。

[2]蘇科版物理教材編寫組，物理八年級上教師教學用書，2016年，111。

[3]席桑田，小孔成像成的是像嗎？物理教師，2004（7），35