陳光波

用一面方形的小平面鏡將陽光垂直地反射到粘貼在墻壁上的白紙上，增大平面鏡到白紙的距離或減小反射面的大小，白紙上的亮斑最終都會變成圓形。這一圓形亮斑是太陽通過反射面兩次成像的結(jié)果，第一次為平面鏡成像，第二次為小孔成像。這一點(diǎn)絕大多數(shù)的學(xué)生都弄不明白。為此，筆者安排了這樣的幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)。

1觀察日光燈管通過反射面小孔成像現(xiàn)象

1.1推想

如果圓形亮斑是太陽的像，那換用其他的光源，也應(yīng)當(dāng)能得到這些光源的像。

1.2方法

晚上，打開一盞日光燈，利用平面鏡將燈光垂直反射到另一間房（最好拉上窗簾）的墻壁（若墻壁不是白色的，那最好貼一張大白紙或貼上一塊大白布）上。逐漸減小反射面，觀察墻上亮斑的變化情況。增大或減小反射面到墻的距離，觀察亮斑的變化情況。

1.3拓展

拓展1：驗(yàn)證所成的像是倒立的。

拓展2：換其他光源試試。

1.4說明

若減小反射面時(shí)發(fā)現(xiàn)亮斑只是亮度變暗，其形狀、大小均不變，則此亮斑即為日光燈的像（從形狀上看也是如此）。適當(dāng)改變平面鏡與光源的距離，可以觀察到放大的像。擋住燈管的一部分，觀察像的變化，結(jié)合平面鏡成像的特點(diǎn)，即可推知物體通過小孔成倒立的像。

若幸逢日食，則觀察日食時(shí)墻上亮斑的變化能更直接地證實(shí)通常情況下所觀察到的圓形亮斑為太陽的像。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步推想，若能借助墻角等障礙物擋住太陽的一部分，是否也能看到太陽的像，在此想法的指引下，筆者后來又引導(dǎo)學(xué)生利用從窗口射入室內(nèi)的陽光做太陽通過小孔成像（換用平面鏡做不僅操作起來更方便，而且效果也更好）的實(shí)驗(yàn)。在小孔慢慢地移至光與影分界線的過程中，圓形亮斑慢慢地變成半圓形直至完全消失——與我們通過窗口看太陽，慢慢地從光區(qū)移至影區(qū)所看到的太陽被逐漸遮擋的過程中形狀變化的規(guī)律一樣。當(dāng)在小孔處所見的半個(gè)太陽是朝右時(shí)，半圓形亮斑是朝左的。這表明，小孔成的像是倒立的。換用不同形狀的障礙物（如在一個(gè)球的影區(qū)做上述實(shí)驗(yàn)即可模擬日食的情形——半影區(qū)對應(yīng)日偏食）做此實(shí)驗(yàn)，則更能突出上述特點(diǎn)。當(dāng)學(xué)生觀察到相關(guān)的現(xiàn)象時(shí)，都覺得十分神奇。

2測量圓形亮斑的直徑與其到平面鏡的距離之比

2.1推想

若圓形亮斑為太陽的像，則由成像的原理圖不難看出，上述的比值不僅與鏡面到墻壁的距離無關(guān)，而且應(yīng)當(dāng)?shù)扔谔栔睆脚c日地間距之比。

2.2方法

改變鏡面與墻壁間的距離，測量幾組數(shù)據(jù)，算出比值，并用此比值和太陽直徑與日地間距的比值（可從網(wǎng)上查到）相比較。

2.3拓展

將太陽換成日光燈（或蠟燭），測量其像的長度與像到鏡面的距離之比。

2.4說明

圓形亮處的直徑與其到平面鏡的距離之比并不是一個(gè)定值。當(dāng)然，若能保證日光燈與鏡面的間距一定（換用臺燈很容易控制間距），則由成像的光路圖也能看出，比值也不變。

3與小孔成像對照觀察亮斑的形狀 大小與明暗的變化

若圓形亮斑為太陽先反射（平面鏡成像）后通過小孔成的像，在改變反射面形狀、大小及其與墻壁的間距的過程中，亮斑的形狀、大小與明暗等的變化規(guī)律與太陽光直接通過小孔時(shí)成的像應(yīng)當(dāng)相同。

4后記

通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不難明白圓形亮斑就是太陽的像。當(dāng)然，此驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也可改為探究性實(shí)驗(yàn)，即引導(dǎo)學(xué)生探究圓形亮斑是什么，是怎么形成的等問題。