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第6章 绝无仅有的成像实验

小孔成像是用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间,屏幕上就会形成物的倒像的现象。如果前后移动中间的板,像的大小也会随之发生变化。

古代人民从大量的观察事实中认识到光是沿直线传播的,并通过小孔成像实验证明了光这一性质。这在世界上是绝无仅有的。

在战国末期的诸侯国韩国,有一个人请了一位画匠为他画一张画。画匠告诉他,这幅画需要很长时间,因此让他回家耐心地等候。

3年后的一天,画匠终于告诉他,他要的画现在画成了。

这个人来到画匠家一看,只见8尺长的木板上只涂了一层漆,什么画也没有。于是,他非常气愤,认为画匠欺骗了他。

画匠说:“请不要生气,看这幅画需要一座房子,房子要有一堵高大的墙,再在这堵墙对面的墙上开一扇大窗户,然后把木板放在窗上。每天早晨太阳一出来,你就会在对面的墙上看到这幅图画了。”

这个人半信半疑,照画匠的吩咐修了一座房子。果然,在屋子的墙壁上出现了亭台楼阁和往来车马的图像,好像一幅绚丽多彩的风景画。

尤其奇怪的是,画上的人和车还在动,不过都是倒着的!这个人端详着这幅画,一时间,不知是喜还是忧。

其实,对于倒像现象,此前的墨翟已经通过成像实验,对之作出了合理的解释。

墨翟是春秋末战国初期著名的思想家、教育家、科学家、军事家,也是墨家学派的创始人。后来其弟子收集其语录,完成《墨子》一书传世。

墨翟和他的学生,做了世界上第一个小孔成倒像的实验,解释了小孔成倒像的原因,指出了光的直线进行的性质。这是对光直线传播的第一次科学解释。

墨家的小孔成倒像实验非常有趣:在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔,人对着小孔站在屋外,屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。

为什么会有这奇怪的现象呢?墨家解释说,光穿过小孔如射筋一样,是直线行进的,人的头部遮住了上面的光,成影在下边,人的足部遮住了下面的光,成影在上边,就形成了倒立的影。这是对光直线传播的第一次科学解释。

墨家还利用光的这一特性,解释了物和影的关系。飞翔着的鸟儿,它的影也仿佛在飞动着。对此,墨家分析了光、鸟、影的关系,揭开了影子自身并不直接参加运动的秘密。

墨家指出,鸟影是由于直线行进的光线照在鸟身上被鸟遮住而形成的。当鸟在飞动中,前一瞬间光被遮住出现影子的地方,后一瞬间就被光所照射,影子便消失了;新出现的影子是后一瞬间光被遮住而形成的,已经不是前一瞬间的影子。因此,墨家认为影子不直接参加运动。因为鸟飞动的时候,前后瞬间影子会连续不断地更新,并且变动着位置,看起来就觉得影是随着鸟在飞动一样。

在2000多年前,我国古人能这样深入细致地研究光的性质,解释影的动和不动的关系,确实是难能可贵的。

对于小孔成像现象,元代天文数学家赵友钦在他所著的《革象新书》中,进一步详细考察了日光通过墙上孔隙所形成的像和孔隙之间的关系。

赵友钦发现,当孔隙相当小的时候,尽管孔隙的形状不是圆形的,所得的像却都是圆形的。孔的大小不同,但是像的大小相等,只是浓淡不同。如果把像屏移近小孔,所得的像变小,亮度增加。对于这一现象,赵友钦经过精心思索和研究,得出了关于小孔成像的规律。

他认为孔相当小的时候,不管孔的形状怎样,所成的像是光源的倒立像,这时孔的大小只不过和像的明暗程度有关,不改变像的形状。当孔相当大的时候,所得到的像就是孔的正立像。

为了证实这个结论,赵友钦设计了一个比较完备的实验程序。

首先在楼下的两间房子的地板中各挖两个直径4尺多的圆井,右边的井深4尺,左边的深8尺,在左井里放置一张4尺高的桌子,这样两井的深度就相同了。

然后做两块直径4尺的圆板,板上各密插1000多支蜡烛,点燃后,一块放在右井井底,一块放在左井桌上。

接着在井口各盖直径5尺,中心开小方孔的圆板,左板的方孔宽1寸左右,右板的方孔宽半寸左右。

这时,就可以看到楼板上出现的都是圆像,只是孔大的比较亮,孔小的比较暗。

赵友钦用光的直线传播的道理,说明了东边的蜡烛成像于西,西边的成像于东,南边的成像于北,北边的成像于南。由于1000多支烛是密集成圆形的,所成的像也相互连接成为圆像。

在光源、小孔、像屏距离不变的情况下,所成的像形状不变,只有照度上的差别:孔大的“所容之光较多”,因而比较亮;孔小的“所容之光较少”,因而比较暗。

如果把右井里东边的蜡烛熄灭500支,那右边房间楼板上的像西边缺半,相当于日月食的时候影和日、月食分相等一样。

如果左边蜡烛采取疏密相间的方法点燃二三十支,像虽然是圆形分布,但却是一些不相连接的暗淡方像;如果只燃一支烛,方孔对于烛光源来说不是相当小,因而出现的是方孔的像;把所有的烛重新点着,左边的像就恢复圆形。

在实验中,赵友钦又在楼板上平行于地面吊两块大板作为像屏,这时像屏距孔近,看到的像变小而明亮。

接着去掉两块吊板,仍以楼板作为像屏,撤去左井里的桌子,把蜡烛放到井底,这时左井的光源离方孔远,左边的楼板上出现的像变小,而且由于烛光弱,距离增加后亮度也变弱。

从这些实验结果,赵友钦归纳得出了小孔成像的规律,指出了光源的远近、强弱和小孔、像屏的远近之间的关系:

像屏近孔的时候像小,远孔的时候像大;烛距孔远的时候像小,近孔的时候像大;像小就亮,像大就暗;烛虽近孔,但是光弱,像也就暗;烛虽远孔,但是光强,像也就亮。

实验的最后一步是撤去覆盖井面的两块板,另在楼板下各悬直径一尺多的圆板,右板开4寸的方孔,左板开各边长5寸的三角形孔,调节板的高低,就是改变光源、孔、像屏之间的距离。

这时,仰视楼板上的像,左边是三角形,右边是方形。这说明孔大的时候所成的像和孔的形状相同:孔距屏近,像小而明亮;孔距屏远,像大而暗淡。

从以上实验的结果,赵友钦得出了小孔的像和光源的形状相同、大孔的像和孔的形状相同的结论,并指出这个结论是“断乎无可疑者”。

用如此严谨的实验,来证明光的直线传播,阐明小孔成像的原理,这在当时世界上是绝无仅有的。充分表现了我国古代劳动人民的智慧。

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