墨翟是怎样解释“小孔成像”的?

发布网友发布时间：2022-05-04 20:54

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热心网友时间：2022-06-09 12:25

小孔成像是用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与烛之间，屏幕上就会形成烛的倒像的现象。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。小孔成像在我国研究历史久远，前后沿续近2000年，最早涉及该现象的当属先秦时期的墨家，墨家以研究自然现象著称，在其代表作《墨经》中就记述了小孔成像的现象。

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，并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。其中就有关于倒像的记述。

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，光穿过小孔如射箭一样，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。

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。

对于小孔成像现象，元代天文数学家赵友钦经过精心思索和研究，他设计了一个比较完备的实验程序。

首先在楼下两间房子地板中各挖两个直径4尺多的圆井，右边井深4尺，左边深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。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。

如果在左边中蜡烛疏密相间，只燃点二三十支，那像虽是圆形分布，但是各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。

赵友钦从实验中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。