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2. 小孔成像的实验

  光线沿直线传播几乎是一个浅显的常识了。然而, 怎样验证它, 就要设计一个――不管是多么简单的――实验来加以验证。世界上最早作出这个实验的科学家是中国人, 他们是战国时期的墨家学派。

  墨家的科学家在墙壁上凿了一个小孔, 当阳光照射进去, 物体形成的像投射在屏幕上可以形成一个倒像。原因是, 这个小孔的直径很小。后来人们又设计了一个实验来验证。

  当屋外小孔前方站着一个人, 阳光照射这个人, 通过小孔在屏幕上形成颠倒的人像。这是因为光线经过小孔发生交错。足部遮住下面的光形成的影子在屏上部; 而头部遮住上面的光, 形成的影子在屏下部。

  这样的实验看似简单, 实际上并非完全如此。首先, 实验的时间只能选在早晨和黄昏, 站在小孔与太阳之间的人离小孔的距离差不多应有200 米。

  到了宋代, 沈括也做了一个小孔成像实验, 不过他的设计更加巧妙。沈括在窗户上捅了一个小孔, 并用一个风筝做实验。他发现, 风筝在东, 经小孔形成的像在西; 而风筝在西, 经小孔形成的像在东。沈括还发现, 楼和塔经小孔也会形成一个倒像。

  为什么会形成倒像呢? 沈括也进行了分析。他认为, 关键在于窗纸孔要尽量小, 这个孔的作用就像阳燧( 铜制的凹面镜) 的焦点一样。

  南宋时的赵友钦虽为皇室后裔, 但南宋末战乱不已, 他为了避祸就隐居起来。赵友钦十分喜欢研究天文、数学和《周易》, 他对光学也有研究, 其中最为有名的还是小孔成像的系列研究。

  首先, 赵友钦发现, 日月都是球形的, 小孔虽然不圆, 但形成的像却都是圆的。这在观察日食变化时是很明显的。此外, 他还观察了孔径和屏幕距离变化时对像的浓淡变化的影响。

  赵友钦还认识到, 以日、月为光源来研究成像规律是有局限性的。为此, 他设计了新的实验以弥补原来的缺陷。

  新的实验有一个大型的装置( 图1) , 它是在一间房中分隔成两个部分, 并各有一口径为4 尺多的井, 深度分别为4 尺( 右) 和8 尺( 左), 左井内还放置了一张高为4 尺的桌子。实验用光是由若干蜡烛提供的, 即两块直径为4 尺的圆板, 上面插有1000 多支蜡烛。井口盖有井盖, 中心处开有小孔。上部的楼板兼作像屏。

  新设计的装置, 使用的光源具有较好的稳定性, 不同深度的井可以调节物距。赵友钦仔细地做了实验, 并得到了很好的结果。

  赵友钦的光学实验规模之大, 在当时堪称世界之最。小孔实验除了可以说明光线是沿直线传播的, 它也具有很重要的应用价值。例如: 元代著名天文学家郭守敬为了编制《授时历》, 建造了圭表, 以测日影。表杆很高, 这样投射的影子, 其表端常常变得模糊不清, 并且造成了较大的误差。郭守敬消除这种误差的办法是, 他在圭面上加了一个小部件。这个小部件是一片可以调节倾角的小铜片, 铜片中间有小孔。这个小铜片在圭面上移动, 使太阳、横梁、小铜片在一条直线上。这样, 恰好使太阳的像投在圭面上。这个像是小而清晰的像, 可以保证读出准确的杆影长数据。

  从墨家到赵友钦的1700 余年间, 关于小孔成像的研究, 到郭守敬终于结出了果实。

  
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