民众大舞台——风俗世情

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。