Principio de imágenes estenopeicas
[Editar este párrafo] Método de demostración
Coloca un lápiz afilado y haz un pequeño agujero en el centro de un trozo de papel duro. El agujero tiene aproximadamente tres milímetros de diámetro. Intente sostenerlo en posición vertical sobre una mesa. Luego cierra las cortinas y atenúa la luz de la habitación.
Enciende una vela y colócala cerca del agujero. Toma un trozo de papel blanco y colócalo al otro lado del agujero. De esta manera, verás la llama de una vela al revés sobre el papel blanco. A esto lo llamamos la imagen de una vela. Mueve el papel blanco hacia adelante y hacia atrás y observa cómo cambia la imagen de la llama de la vela. Cuanto más cerca esté el papel blanco de la proporción del agujero pequeño, más pequeña y más brillante se vuelve la imagen; cuando el papel blanco se aleja lentamente del agujero pequeño, la imagen se hace más grande y el brillo se vuelve más oscuro;
Cambia el tamaño del agujero y veremos qué pasa con la imagen de la vela.
Puedes perforar agujeros de diferentes tamaños y formas en el cartón, siendo la distancia entre los agujeros de unos pocos centímetros. En ese momento aparecieron en el papel blanco varios reflejos correspondientes a los pequeños agujeros. El tamaño es el mismo, pero la claridad es diferente. Cuanto más grande es el agujero, menos clara es la imagen. Siempre que el agujero sea lo suficientemente pequeño, su forma, ya sea cuadrada, redonda u achatada, no tiene ningún efecto sobre la claridad y la forma de la imagen.
Método experimental
1. Coloca la vela, la pantalla con orificio pequeño y la pantalla de vidrio esmerilado. Encienda la vela y ajuste la altura de la vela y la pantalla de modo que el centro de la llama, el orificio y la pantalla de vidrio esmerilado de la vela estén aproximadamente en línea recta. La distancia entre la vela y la pequeña pantalla perforada no puede ser demasiado grande. Después del ajuste, puedes ver la imagen real de la llama de la vela colgando boca abajo en la pantalla de vidrio esmerilado.
2. Mueve la posición de la vela o la pantalla de vidrio esmerilado. Puedes ver que cuanto más cerca esté la vela del agujero o cuanto más lejos esté la pantalla de vidrio esmerilado del agujero, más grande será la imagen. ser.
El segundo método: corta la parte superior de la lata, cúbrela con una capa de film plástico y perfora un pequeño agujero en el fondo de la lata. Apuntando el agujero hacia un objeto luminoso, se puede obtener una imagen invertida en la película de plástico.
[Editar este párrafo]Explicación del problema
Este experimento nos planteó al menos tres preguntas: ¿Por qué la imagen de un pequeño agujero está al revés? ¿Qué factores se relacionan con el tamaño de la imagen? ¿Qué factores están relacionados con la claridad de la imagen?
Para explicar estos problemas, pensamos que la llama de una vela está compuesta de muchos pequeños puntos luminosos, cada uno de los cuales irradia luz en todas direcciones. Siempre hay un pequeño haz de luz que atraviesa el agujero y forma un pequeño punto en el papel blanco. Cada punto luminoso de la llama de la vela formará un punto de luz correspondiente en el papel blanco, y todos los puntos de luz del papel blanco formarán la imagen de la llama de la vela.
Como se puede ver en la imagen, la luz de la parte superior de la llama de la vela pasa a través del pequeño orificio en línea recta e incide sobre la parte inferior del papel blanco; parte de la llama de la vela brilla a través del pequeño agujero hacia la parte superior del papel blanco, por lo que en el papel blanco se forma un reflejo en el papel. Esto simplemente demuestra que la luz viaja en línea recta.
Como se muestra en la imagen de la izquierda, cuando el agujero es relativamente pequeño, la luz emitida desde diferentes partes del objeto también llega a diferentes partes de la imagen, por lo que la luz emitida desde diferentes partes del objeto no se superpondrá, por lo que la imagen será más clara. Por ejemplo, la luz emitida por el objeto C no llegará a B, por lo que la luz emitida por el objeto C no se superpondrá con la luz emitida por el objeto A, por lo que la imagen en B será más clara. Una vez que el agujero es lo suficientemente grande, la luz de diferentes partes del objeto se superpondrá en la imagen y la imagen no será clara. Por ejemplo, la luz emitida por la parte C del objeto se superpondrá con la luz emitida por la parte A del objeto en la parte B. De esta manera, la imagen de la parte B no sabe a quién pertenece y la imagen natural no quedará claro. Por tanto, la placa y el agujero equivalen a un descomponedor, que descompone la luz de diferentes partes del objeto, formando así una imagen. En nuestra vida diaria, no podemos ver la imagen en un trozo de papel blanco frente a un objeto, no porque no haya luz emitida por el objeto en el papel blanco, sino porque la luz emitida por diferentes partes del objeto se superpone en el blanco. papel, por lo que Nuestros ojos no pueden ver imágenes de objetos. Y una vez que utilizamos lentes o pequeños agujeros para proyectar la luz que emite el objeto en diferentes partes del papel blanco, aparece la imagen del objeto. Por supuesto, el tamaño es relativo y el tamaño de este agujero es relativo al tamaño del objeto. Si el objeto es grande, entonces el agujero es más grande y aún se puede visualizar. Sólo que cuanto más pequeño sea el agujero, mayor será la resolución de la imagen. Por supuesto, si el agujero es demasiado pequeño, pasará menos luz y es posible que la imagen no sea lo suficientemente brillante. Además, si la apertura es demasiado pequeña, se producirá difracción, lo que también afectará a la imagen.
El tamaño del agujero es relativo. De hecho, el tamaño del orificio de imagen estenopeico está relacionado con el objeto. Si el objeto es grande, el agujero puede ser grande; si el objeto es pequeño, el agujero debe ser pequeño. Si quisiéramos ser una imagen del sol, no sería imposible utilizar un agujero del tamaño de un campo de fútbol. Por supuesto también está el tema de la distancia entre la pantalla y el agujero. Si el tamaño del agujero es constante y la distancia entre el agujero y el objeto también es constante, cuanto más lejos esté la pantalla del agujero, mayor será la resolución teórica de la imagen. Por supuesto, en este caso, el límite de resolución es el tamaño del agujero, lo que significa que los detalles del objeto fotografiado que son más pequeños que el agujero no se pueden distinguir claramente. Si tuviéramos que visualizar el Sol con un agujero del tamaño de un campo de fútbol, no podríamos visualizar estructuras en el Sol que sean más pequeñas que un campo de fútbol.
Si usamos φ para representar la estructura más pequeña de un objeto resoluble, y U representa la distancia del objeto, V representa la distancia desde la pantalla hasta el orificio (distancia de la imagen) y φ representa el diámetro del agujero de alfiler.
La fórmula de la imagen es:
φ/φ=(u+v)/v(1)
Después de ordenar (1), podemos obtener:
φ/φ-1 = u/v(2)
Se puede ver en la fórmula (2) que,
Cuando u y φ son fijos , v tiende a En infinito, φ/φ tiende a 1, por lo que la imagen alcanzará la resolución máxima solo cuando la distancia de la imagen sea infinita. Cuanto menor es v, menor es la resolución. Cuando v está cerca de cero, la imagen no se puede visualizar y se convierte en una mancha a largo plazo.
[Editar este párrafo] Historias antiguas
Hace más de dos mil años, el erudito chino Han Fei registró una interesante historia en su libro: Alguien le pidió a un pintor que le pintara un cuadro. Haz un dibujo. Tres años después, el pintor le dijo: "¡Ya está!". Cuando vio que sobre la tabla de madera de dos metros y medio de largo sólo había una capa de pintura, perdió los estribos y pensó que el pintor le había mentido. a él. El pintor dijo: "Por favor, construya una casa con paredes altas y luego abra una ventana grande en la pared opuesta a esta pared. Coloque la pizarra en la ventana. Cuando salga el sol, podrá ver un cuadro en la pared opuesta. Pintura ." Dubitativamente hizo lo que le dijo el pintor. Efectivamente, en la pared de la casa aparecieron imágenes de pabellones, carruajes y caballos, como un colorido cuadro de paisaje. Lo que es particularmente extraño es que las personas y los autos en la pintura todavía se están moviendo, ¡pero están todos al revés!
Hace unos 24.500 años, los eruditos chinos, Zhai Mo y sus estudiantes, llevaron a cabo el primer experimento del mundo en el que un pequeño agujero se convirtió en una imagen invertida, explicando la razón por la que el pequeño agujero se convirtió en una imagen invertida. , señaló la naturaleza de la luz directa. Esta fue la primera explicación científica de la propagación de la luz en línea recta. En los clásicos mohistas, las imágenes estenopeicas se registran así:
"Jingshu, tarde, Jingshu es largo. Hablemos de ello al final".
"Escena. Gente con luz, si Brilla, las personas de abajo también son altas; las personas más altas también bajarán, por lo que el paisaje está en la parte superior; la primera cubierta está vidriada, por lo que se convierte en una escena y hay luz en la distancia.
La palabra "invertido" aquí significa "invertido", que significa estar boca abajo. "Mediodía" significa dos rayos de luz que se cruzan en el medio. "Duan" significa "extremo" y "micropunto" en chino antiguo. "Miduan" se refiere al punto de intersección de la luz, que es el orificio. La razón por la cual la proyección de un objeto tiene una imagen invertida es porque la luz se propaga en línea recta en el orificio, los rayos de luz de diferentes direcciones se cruzan entre sí para formar reflejos. Según la relación entre la posición del orificio del puntero y el tamaño proyectado. "El hombre de luz brilla intensamente" es una vívida metáfora. "Calidez" es la luz que brilla sobre una persona, como si se disparara una flecha. "Los que están abajo también están altos; "las personas más altas también están bajando" significa que la luz que brilla en la parte superior de una persona se refleja en la parte inferior; la luz que brilla en la parte inferior de la persona se refleja en La parte superior de la persona, por lo tanto, cuando se visualiza una persona en posición vertical a través de un orificio, la proyección se invierte. "Biblioteca" se refiere al interior del casete, que tiene extremos cercanos y lejanos, y la luz "señala la relación. entre el tamaño de la luz y la sombra reflejadas por el objeto y la distancia del agujero; cuanto más lejos esté el objeto, más pequeña será la imagen. Cuanto más cerca esté, más grande será la imagen. La descripción que hizo Qing de las imágenes estenopeicas hace más de dos mil años es exactamente la misma que se dice sobre la óptica fotográfica actual
[Editar este párrafo] Principio de la imagen
Principio: La luz se propaga. en línea recta en el mismo medio uniforme sin la interferencia de la gravedad.
El sol proporciona a los humanos luz y calor y es una fuente indispensable de luz, sin embargo, debido a la rotación de la tierra, se forma el día. y cada noche, la oscuridad envolvía la tierra. Los ancestros humanos que vivieron en la antigüedad tenían un sentimiento terrible y odioso, y todavía se usa para describir el mal. En el siglo XIX, los humanos descubrieron que el fuego también puede proporcionar luz y calor. Al principio se utilizó el fuego natural, y más tarde la invención del fuego de fricción artificial supuso un avance histórico en la historia de la humanidad, "una fuerza natural que finalmente separó a los humanos del reino animal, ya lo sabía el Hombre de Pekín, que vivió hace 500.000 años". cómo utilizar el fuego natural, y hace unas decenas de miles de años, los humanos aprendieron a utilizar el método de perforar madera para hacer fuego artificial. Durante mucho tiempo, el fuego fue la única fuente de luz artificial disponible para la gente. Más tarde, la gente creó el petróleo. lámparas y velas, pero no fue hasta la invención de las fuentes de luz modernas que el fuego fue reemplazado. A través de la observación de la luz a largo plazo, se descubre que la luz brilla en el suelo a lo largo de los espacios entre las hojas en el denso bosque. forma un haz en forma de rayo, y lo mismo ocurre con la luz del sol que ingresa a la casa a través de la pequeña ventana. Hizo que la gente se diera cuenta de que la luz se propaga en línea recta. Para probar esta propiedad de la luz, hace unos 24.500 años, mi país. El destacado científico Zhai Mo y sus estudiantes hicieron el primer pequeño agujero del mundo en una imagen invertida. El experimento explicó el principio de las imágenes invertidas. Aunque no se refería a la formación de imágenes sino a la formación de sombras, el principio era el mismo. /p>
Se abrió un pequeño agujero en la pared soleada de una habitación oscura, y una persona estaba parada allí frente al agujero fuera de la casa, una figura al revés aparece en la pared opuesta a la habitación. ¿Qué fenómeno está sucediendo? La familia Mo explica que la luz viaja a través de un pequeño agujero en línea recta, como una flecha que atraviesa la cabeza humana. La luz forma una sombra debajo, y los pies de una persona bloquean la luz debajo, formando una sombra al revés. Esta es la primera explicación científica de la propagación lineal de la luz.
Los mohistas también utilizaron esta característica de la luz para explicar la relación entre los objetos y las sombras. Un pájaro volador, su sombra parece estar volando. la relación entre luz, pájaro y sombra, revelando el secreto de que la sombra misma no participa directamente en el movimiento.
Los mohistas señalaron que la sombra de un pájaro se forma porque la luz que viaja en línea recta brilla sobre el pájaro y es bloqueada por el pájaro. Cuando un pájaro está volando, el lugar donde aparece la sombra está cubierto por la luz en un momento, y al momento siguiente es iluminado por la luz y la sombra desaparece cuando al momento siguiente se bloquea la luz, no la sombra; del momento anterior. Por lo tanto, los mohistas llegaron a la conclusión de que "el paisaje no se mueve", y "paisaje" y "sombra" están conectados, es decir, las sombras no participan directamente en el movimiento. Entonces, ¿por qué la sombra parece moverse? Esto se debe a que cuando un pájaro está volando, su sombra se actualiza constantemente y cambia de posición. Es como si la sombra volara con el pájaro. De hecho, sería extremadamente valioso estudiar la naturaleza de la luz de esta manera y explicar la relación entre las sombras móviles y las inmóviles hace 24.500 años. Los mohistas también explicaron el fenómeno de la proyección y la penumbra basándose en el principio de propagación lineal de la luz.
A mediados del siglo XIV, Zhao Youqin, un matemático astronómico de la dinastía Yuan, examinó más a fondo la relación entre la imagen y el agujero formado por la luz solar que pasa a través del agujero en la pared en su libro "Nueva Registros de la imagen de la piel". Encontró que cuando los poros son bastante pequeños, incluso si la forma de los poros no es redonda, la imagen producida es redonda, durante un eclipse solar, la imagen también falta, al igual que en un eclipse solar; diferente, pero el tamaño de la imagen es el mismo, pero con diferentes tonos, si acerca la pantalla de la imagen a la apertura, la imagen resultante se vuelve más pequeña y más brillante; Con respecto a este fenómeno, a Zhao Youqin se le ocurrió la ley de imágenes estenopeicas después de pensar e investigar detenidamente. Creía que cuando un agujero es bastante pequeño, actúa como un reflejo de una fuente de luz, independientemente de su forma. En este momento, el tamaño del agujero sólo está relacionado con el brillo de la imagen y no cambia la forma de la imagen. Esquema de imágenes de agujeros pequeños cuando el agujero es bastante grande. En ocasiones, la imagen obtenida es una imagen vertical del agujero.
Para confirmar esta conclusión, Zhao Youqin diseñó un experimento relativamente completo. En el suelo de las dos casas de abajo se cavaron dos pozos redondos con un diámetro de más de cuatro pies. El pozo de la derecha tiene cuatro pies de profundidad y el pozo de la izquierda tiene ocho pies de profundidad. Coloque una mesa de cuatro pies de altura en el pozo de la izquierda para que ambos pozos tengan la misma profundidad. Haga dos platos redondos de cuatro pies de diámetro y coloque más de 1.000 velas en cada plato. Una vez encendido, coloca uno en el fondo del pozo derecho y el otro en la plataforma del pozo izquierdo. La boca del pozo está cubierta con una placa circular de cinco pies de diámetro con un orificio cuadrado en el centro. El orificio cuadrado de la placa izquierda mide aproximadamente una pulgada de ancho y el orificio cuadrado de la placa derecha mide aproximadamente media pulgada de ancho. En este momento puedes ver que las imágenes en el suelo son todas circulares, pero los agujeros grandes son más brillantes y los pequeños son más oscuros. Zhao Youqin explicó que la imagen de la vela oriental está en el oeste, la imagen de la vela occidental está en el este, la imagen de la vela del sur está en el norte y la imagen de la vela del norte está en el sur. Cada vela tiene una imagen correspondiente. Debido a que más de 1.000 velas están densamente empaquetadas en círculos, las imágenes formadas también están conectadas entre sí para formar una imagen circular. Esto muestra que cuando la fuente de luz, la apertura y la distancia de la pantalla de la imagen permanecen sin cambios, la forma de la imagen permanece sin cambios, pero la iluminación es diferente: una apertura grande "contiene más luz", por lo que es más brillante "contiene" un agujero pequeño; menos luz", por lo tanto más oscuro. Si enciendes 500 velas en el lado este del pozo derecho, la imagen en el piso de la habitación derecha será la mitad menos en el lado oeste, equivalente a un eclipse solar donde la sombra es igual a un eclipse solar y un eclipse lunar. . Si la vela de la izquierda se mezcla con sulfhidrilo y sólo se encienden veinte o treinta velas, la imagen será redonda, pero cada vela será una imagen cuadrada tenue y desconectada, si sólo se enciende una vela, el agujero cuadrado no será el; fuente de luz de la vela No demasiado pequeña, por lo que aparecerá la imagen de un agujero cuadrado; vuelva a encender todas las velas y la imagen de la izquierda será redonda. En segundo lugar, cuelgue dos paneles grandes en el suelo paralelos al suelo como pantallas de imágenes. En este momento, la pantalla de imágenes está cerca del agujero y la imagen vista se vuelve más pequeña y brillante. Luego retire las dos tablas colgantes mencionadas anteriormente, aún use el piso como pantalla de imagen, retire la mesa en el pozo de la izquierda y coloque la vela en el fondo del pozo. En este momento, la fuente de luz del pozo izquierdo está más lejos del agujero cuadrado y la imagen del edificio izquierdo se vuelve más pequeña. Además, debido a la débil luz de las velas, el brillo se vuelve más débil a medida que aumenta la distancia. A partir de estos resultados experimentales, Zhao Youqin resumió las reglas de la imagen estenopeica, señaló la relación entre la distancia y la intensidad de la vela (fuente de luz) y la distancia entre el agujero estenopeico y la pantalla de la imagen, y señaló que la pantalla de la imagen es pequeña. cuando está cerca del agujero y grande cuando está lejos del agujero; la vela parece pequeña cuando está lejos del agujero, y parece grande cuando está cerca del agujero; puede ser brillante cuando es pequeña; puede estar oscuro cuando es grande; aunque la vela está cerca del agujero, la luz es débil y oscura, aunque la vela está lejos del agujero, la intensidad de la luz y la imagen son muy brillantes. El paso final del experimento fue quitar las dos placas que cubrían la superficie del pozo y colgar una placa circular de poco más de un pie de diámetro debajo del piso. La placa derecha tiene un orificio cuadrado de cuatro pulgadas de ancho y la placa izquierda tiene un orificio triangular de cinco pulgadas de largo. Ajustar la altura y la parte inferior de la placa cambia la distancia entre la fuente de luz, el orificio y la pantalla de imagen. En este momento, mira la imagen en el suelo. Hay un triángulo a la izquierda y un cuadrado a la derecha. Esto muestra que la imagen formada cuando el agujero es grande es la misma que la forma del agujero: el agujero está cerca de la pantalla, la imagen es pequeña y brillante, el agujero está lejos de la pantalla, como un agujero grande y oscuro; agujero.
A partir de los resultados experimentales anteriores, Zhao Youqin concluyó que la imagen del agujero pequeño tiene la misma forma que la fuente de luz, y la imagen del agujero grande tiene la misma forma que el agujero, y señaló que esta conclusión es "sin lugar a dudas". Fue único en el mundo en ese momento utilizar un experimento tan riguroso para demostrar la propagación lineal de la luz y aclarar el principio de la imagen estenopeica.
[Editar este párrafo] Aplicación de la propiedad
La propagación lineal de la luz se ha utilizado ampliamente en los antiguos calendarios astronómicos chinos. Nuestros antepasados hicieron relojes de sol y relojes de sol estándar y midieron la longitud y dirección de las sombras para determinar la hora, los solsticios de invierno y los solsticios de verano. Instalar mirillas en instrumentos astronómicos para observar el cielo y medir las posiciones de las estrellas.
Además, nuestro país utiliza desde hace tiempo esta característica de la luz para inventar las marionetas de sombras.
A principios de la dinastía Han, Qi Shaoweng usaba personas y objetos cortados en papel para actuar detrás de una pantalla blanca. Las imágenes de personas y objetos se reflejaban en la pantalla blanca con luz, y las personas fuera de la pantalla podían ver la actuación de las imágenes. Los títeres de sombras fueron muy populares en la dinastía Song y luego se extendieron a Occidente, causando sensación.
Algunas cámaras y videocámaras actuales utilizan el principio de imagen estenopeica: la lente es un orificio (la mayoría de ellas están equipadas con lentes convexas para garantizar la distancia de imagen de la luz), la escena ingresa al cuarto oscuro a través de El orificio y la imagen quedan en la película. Algunos productos químicos especiales (como los reveladores) quedan en la película (las cámaras digitales y las videocámaras almacenan imágenes en la tarjeta de memoria a través de algunos elementos sensibles a la luz).
[Editar este párrafo] Pruebas relacionadas
Propósito y requisitos
Comprender las reglas de las imágenes estenopeicas y comprender la correspondencia uno a uno entre los puntos del objeto y puntos de imagen.
Instrumentos y equipos
Velas, pantalla con orificios pequeños (apertura 1-3 mm), pantalla de vidrio esmerilado.
Método experimental
1. Coloque la vela, la pantalla con orificios pequeños y la pantalla de vidrio esmerilado como se muestra en la Figura 2.2-1. Encienda la vela y ajuste la altura de la vela y la pantalla de modo que el centro de la llama, el orificio y la pantalla de vidrio esmerilado de la vela estén aproximadamente en línea recta. La distancia entre la vela y la pequeña pantalla perforada no puede ser demasiado grande. Después del ajuste, puedes ver la imagen real de la llama de la vela colgando boca abajo en la pantalla de vidrio esmerilado.
2. Mueve la posición de la vela o la pantalla de vidrio esmerilado. Puedes ver que cuanto más cerca esté la vela del agujero o cuanto más lejos esté la pantalla de vidrio esmerilado del agujero, más grande será la imagen. ser.
Cosas a tener en cuenta
1. Con la demostración, debes dibujar el diagrama de la trayectoria de la luz de las imágenes estenopeicas y utilizar la ley de propagación lineal de la luz para explicar cómo el agujero estenopeico se convierte en un. Imagen real invertida y correspondencia uno a uno entre puntos de objeto y puntos de imagen.
2. El tamaño del agujero y la distancia entre el objeto y el agujero deben ser adecuados para garantizar que la imagen real sea clara y tenga un cierto brillo. En términos generales, cuanto menor es la apertura, más clara es la imagen y peor es el brillo de la imagen, cuanto mayor es la apertura, mayor es la distancia entre el objeto y la pantalla perforada pequeña;
3. La superficie rugosa de la pantalla de vidrio esmerilado corresponde a los pequeños agujeros, por lo que el observador puede ver la imagen real a partir del reflejo difuso de la luz de la superficie rugosa de la pantalla o de la luz transmitida desde la pantalla. pantalla de vidrio esmerilado.
4. Este experimento debe realizarse en una habitación oscura.
Datos de referencia
Utilice varias bombillas pequeñas para formar el patrón que se muestra en la Figura 2.2-2 y utilícelo como pantalla de objetos en lugar de una vela para realizar un experimento de imágenes estenopeicas.
Disponga la pantalla de objetos, la pantalla estenopeica y la pantalla de vidrio esmerilado como se muestra en la Figura 2.2-3, de modo que sus centros queden aproximadamente en línea recta. Enciende por turnos las pequeñas bombillas de la pantalla del objeto. Por ejemplo, a partir de la bombilla al final de la flecha, puede ver pequeños puntos de luz circulares que aparecen en la pantalla de vidrio esmerilado uno tras otro hasta que aparece un patrón similar al objeto en la pantalla. Este experimento puede ver intuitivamente la correspondencia uno a uno entre los puntos del objeto y los puntos de la imagen. La apertura del pequeño orificio utilizado en el experimento puede ser mayor para aumentar el brillo de la imagen.