北京創典文化 2020-01-02

小孔成像是用一個帶有小孔的板遮擋在螢幕與燭之間，螢幕上就會形成燭的倒像的現象。如果前後移動中間的板，像的大小也會隨之發生變化。古代人民從大量的觀察事實中認識到光是沿直線傳播的，並透過小孔成像實驗證明了光這一性質。這在世界上是絕無僅有的。小孔成像在我國研究歷史久遠，前後沿續近2000年，最早涉及該現象的當屬先秦時期的墨家，墨家以研究自然現象著稱，在其代表作《墨經》中就記述了小孔成像的現象。

在戰國末期的諸侯國韓國，有一個人請了一位畫匠為他畫一張畫。畫匠告訴他，這幅畫需要很長時間，因此讓他回家耐心等候。3年後的一天，畫匠終於告訴他，他要的畫現在畫成了。這個人來到畫匠家一看，只見8尺長的木板上只塗了一層漆，什麼畫也沒有。於是，他非常氣憤，認為畫匠欺騙了他。

畫匠說：“請不要生氣，看這幅畫需要一座房子，房子要有一堵高大的牆，再在這堵牆對面的牆上開一扇大窗戶，然後把木板放在窗上。每天早晨太陽一出來，你就會在對面的牆上看到這幅圖畫了。”

這個人半信半疑，照畫匠的吩咐修了一座房子。果然，在屋子的牆壁上出現了亭臺樓閣和往來車馬的影象，好像一幅絢麗多彩的風景畫。

尤其奇怪的是，畫上的人和車還在動，不過都是倒著的！這個人端詳著這幅畫，一時間，不知是喜還是憂。

其實，對於倒像現象，此前的墨翟已經透過成像實驗，並對之作出了合理的解釋。

墨翟是春秋末戰國初期著名的思想家、教育家、科學家、軍事家，也是墨家學派的創始人。後來其弟子收集其語錄，完成《墨子》一書傳世。其中就有關於倒像的記述。

墨家的小孔成倒像實驗非常有趣：在一間黑暗的小屋朝陽的牆上開一個小孔，人對著小孔站在屋外，屋裡相對的牆上就出現了一個倒立的人影。為什麼會有這奇怪的現象呢？

墨家解釋說，光穿過小孔如射箭一樣，是直線行進的，人的頭部遮住了上面的光，成影在下邊，人的足部遮住了下面的光，成影在上邊，就形成了倒立的影。

墨家還利用光的這一特性，解釋了物和影的關係。飛翔著的鳥兒，它的影也彷彿在飛動著。對此，墨家分析了光、鳥、影的關係，揭開了影子自身並不直接參加運動的秘密。

墨家指出，鳥影是由於直線行進的光線照在鳥身上被鳥遮住而形成的。當鳥在飛動中，前一瞬間光被遮住出現影子的地方，後一瞬間就被光所照射，影子便消失了；新出現的影子是後一瞬間光被遮住而形成的，已經不是前一瞬間的影子。

對於小孔成像現象，元代天文數學家趙友欽經過精心思索和研究，他設計了一個比較完備的實驗程式。

首先在樓下兩間房子地板中各挖兩個直徑4尺多的圓井，右邊井深4尺，左邊深8尺，在左井裡放置一張4尺高的桌子，這樣兩井的深度就相同。然後做兩塊直徑4尺的圓板，板上各密插1000多支蠟燭，點燃後，一塊放在右井井底，一塊放在左井桌上。

接著在井口各蓋直徑5尺，中心開小方孔的圓板，左板的方孔寬1寸左右，右板的方孔寬半寸左右。這時，就可以看到樓板上出現的都是圓像，只是孔大的比較亮，孔小的比較暗。

趙友欽用光的直線傳播的道理，說明了東邊的蠟燭成像於西，西邊的成像於東，南邊的成像於北，北邊的成像於南。由於1000多支燭是密整合圓形的，所成的像也相互連線成為圓像。

在光源、小孔、像屏距離不變的情況下，所成的像形狀不變，只有照度上的差別：孔大的“所容之光較多”，因而比較亮；孔小的“所容之光較少”，因而比較暗。

如果把右井裡東邊的蠟燭熄滅500支，那右邊房間樓板上的像西邊缺半，相當於日月食的時候影和日、月食分相等一樣。

如果在左邊中蠟燭疏密相間，只燃點二三十支，那像雖是圓形分佈，但是各是一些不相連線的暗淡方像。如果只燃一支燭，方孔對於燭光源來說不是相當小，因而出現的是方孔的像；把所有的燭重新點著，左邊的像就恢復圓形。

在實驗中，趙友欽又在樓板上平行於地面吊兩塊大板作為像屏，這時像屏距孔近，看到的像變小而明亮。接著去掉兩塊吊板，仍以樓板作為像屏，撤去左井裡的桌子，把蠟燭放到井底，這時左井的光源離方孔遠，左邊的樓板上出現的像變小，而且由於燭光弱，距離增加後亮度也變弱。

從這些實驗結果，趙友欽歸納得出了小孔成像的規律，指出了光源的遠近、強弱和小孔、像屏的遠近之間的關係：

像屏近孔的時候像小，遠孔的時候像大；燭距孔遠的時候像小，近孔的時候像大；像小就亮，像大就暗；燭雖近孔，但是光弱，像也就暗；燭雖遠孔，但是光強，像也就亮。

實驗的最後一步是撤去覆蓋井面的兩塊板，另在樓板下各懸直徑一尺多的圓板，右板開4寸的方孔，左板開各邊長5寸的三角形孔，調節板的高低，就是改變光源、孔、像屏之間的距離。

這時，仰視樓板上的像，左邊是三角形，右邊是方形。這說明孔大的時候所成的像和孔的形狀相同：孔距屏近，像小而明亮；孔距屏遠，像大而暗淡。

趙友欽從實驗中得出了小孔的像和光源的形狀相同、大孔的像和孔的形狀相同的結論，並指出這個結論是“斷乎無可疑者”。用如此嚴謹的實驗，來證明光的直線傳播，闡明小孔成像的原理，這在當時世界上是絕無僅有的，充分表現了我國古代勞動人民的智慧。

新北方線上 2021-04-30

第一時間：古人中的發明家，小孔成像，竟是墨子發現的