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针孔成像
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在沈括所著《梦溪笔谈》卷三里有这样一段话:“若鸢飞空中,其影随鸢而移,或中间为窗隙所束,则影遂与鸢相违,鸢东则影西。又如窗隙中楼塔之影,中间为窗所束,亦皆倒垂,与阳燧一也。”

意思是鸟在天空飞,它在阳光下的投影是随着它本身一起移动的。但是它通过窗隙(即针孔)在室内墙壁上映出的影(或幕上映出的像)却在作与它本身反方向的运动:鸟向东飞,它的像西移。鸟向西飞,它的像东移。再如,室外的楼房和宝塔通过窗隙在室的内墙(幕)上形成的影(像)都是倒立的。这一切都是因为光线受到针孔的障碍和约束的缘故。与凹面镜成像的原理是一样的。

在这段论述中沈括不但把运动体(鸢)通过针孔所成的像与运动方向相反与静物(楼、塔)通过针孔所成的像是倒立的联系了起来,看出了这两种现象在本质上是相同的,还再次把针孔成像跟凹面镜成像联系起来,指出了这两者属于同一类的成像。沈括在同一段文章里还形象地把针孔的作用比作船上的橹的支柱——橹担。摇橹行船的时候,橹在橹担内外的部分是作反向运动的。与此相似,鸟在天空飞,从它身上各点射进窗隙的光束,在窗内外的部分移动方向也是相反的。从这段精彩的论述中可知沈括对针孔成像有深刻的理解。在光学研究史上,他的这段话犹如千古绝唱令后人赞叹不已。此外,沈括还对凹面镜的成像原理,透光镜的机理和虹的成因都有认真的研究,并取得辉煌的成果。在沈括之后200 多年,我国又出了一位光学大师,他叫赵友钦。他对针孔成像的研究达到了当时世界的最高水平。

在浙江省衢县境内,有座鸡鸣山。山高400 米,周长约8 千米。群峰盘回,只有一条山径可以通入,山径的两边顶上有巨石绵亘,欲坠复倚,下有清泉浅流潺潺而出。宋末元初的时候,山里有人筑建了几间草屋,旁边又垒起一个土墩。每天夜晚可以看到住在草屋里的那位道长站在土墩上观察天象。此人面貌清瘦、神态不俗,他就是赵友钦。赵友钦名敬、又名子恭、缘督,山里人都叫他缘督子。他原来是宋朝宗室,汉王第十二世子孙,籍贯在江西鄱阳。宋朝灭亡之后,为了避祸他循入道家。现隐居在此,以研究学问、著书立说来消磨时光。赵友钦每天都起得很早,起身后他总要先跑到屋前的一座山峰上做一番吐故纳新的气功,然后再沿着小路走回来。回家的时候,太阳早已升起,阳光透过茂密的树叶在一些断垣石壁上留下一个个圆形的光斑。赵友钦奇怪:树叶的间隙,有圆形、方形、三角形、多边形,为什么石壁上留下的光斑却都是圆形的呢?有一天赵友钦在回家途中看到了一个奇迹:石壁上的光斑全部都变成了一个个小小的月牙形。他马上想起今天恰好是日食,太阳被月亮遮去了一部分,呈月牙形。原来石壁上的光斑只与光源的形状有关,与透光孔的形状无关。光斑是太阳的像!经历了这次日蚀,赵友钦欣喜不已,决心要用实验把这个问题弄个水落石出。他经过深思熟虑,设计出一套实验方案来。赵友钦先让仆人找工匠在一片空旷地上造起一间木屋。这是一座二层楼的木房,在楼下相邻的两间屋子里各挖了一口圆形的旱井,井的直径都是4 尺,深度分别是8 尺和4 尺,井口都放着直径5 尺的盖板,作为针孔成像的暗室。他在左右两口井的盖板上分别挖去了边长为1 寸

和1.5 寸的正方形,作为小孔。再在左井里放一张4 尺高的圆桌,使桌面与右井底相平。然后他在左井圆桌上和右井底上各放一块直径4 尺的圆板,圆板上都插着1000 支蜡烛,来模拟日月。当他把盖板盖上时,投在左右两室楼板上的像都是圆形的,并不是方形的,而且大小相同,只不过由于右井盖板上的孔大一些,射出来的光较多形成了较亮的像。接着他又模拟日月蚀的时候,日月在通过针孔成的像的形状会随着变化:熄灭右井圆板上东半边的500支蜡烛,楼板上映出的像就缺了西半边。这样就证明了,物体通过针孔成的像,它的形状与小孔的形状无关,只取决于原物的形状,并且是上下左右颠倒的。然后,他又在左右两室楼板下各悬挂一块活动的木板,重复上述实验,发现投在活动木板下的像比投在楼板下的像小而亮。撤去左井里的圆桌,把插着蜡烛的圆板直接放在井底,像也变小。这样他又得出了物体离针孔越远或屏幕离针孔越近,屏幕上的像就越小。后来,他还用实验证实了,当针孔的尺寸放大到一定的程度时,针孔成像的光学现象就会随之消失。

赵友钦在他的著作《革象新书》的“小罅光景”中得出如下的结论:“是故小景随光之形,大景随空之像,断无可疑者。”也就是说,小孔成像时生成的像与光源的形状相同,在大孔的情况下所成的像(光斑)与大孔的形状相似,这个结论无可怀疑。赵友钦的实验构思巧妙,规模宏大,在当时世界上实属首创,因此有人称赞他是13 世纪卓越的实验物理学家。

 
     
 
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