神奇的小孔—光的直线传播

1.神奇的小孔—光的直线传播

(1)光的直线传播特性

太阳赐予人类光和热，是人类不可或缺的光源。但是由于地球有自转运动，地球上便产生了白昼和黑夜的交替现象。每到晚上，太阳就不见了，黑暗就笼罩着大地。生活在远古时代的人类祖先，把黑暗看作一种可怕、可恶的东西，他们对于黑夜是无能为力的。直到今天，黑暗仍然被人们用来形容邪恶。后来，不知经历了多少个世纪，人类终于发现了火，并用它来提供光和热。而意味着“人类历史划时代进步”的发明—人工摩擦取火，使人类“第一次拥有了支配自然的力量”，从而把人同动物分开。在过去漫长的时间里，虽然后来人们又创造了油灯、蜡烛，但还是与火有关。因此，火一直是人们唯一可以利用的人造光源。直到近代发明了新的人造光源，光取代了火的作用。

太阳光

火光

在长期的生活中，人们通过对光的观察，已经意识到光的直线传播特性。为了证明光的这一性质以及针孔成像原理，在大量的实验和观察的基础上，我国先秦时期科学家墨子及元代著名的天文数学家赵友钦分别在其著作《墨经》和《革象新书》中，做了相当详尽的记载和论述，这在当时世界是绝无仅有的。

大自然中光的直线传播现象

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针孔成像

早在公元前400年前，墨子在其著作《墨经》中对针孔成像的原理有明确的记载和阐述，那么，针孔成像究竟是怎么一回事呢？

由于光有直线传播的特性，所以，当来自事物反光或发光体的光线通过一个小孔时，在与景物或发光体相对应的相反方向的一定位置上，便会形成一个和景物或发光体的影像上下颠倒的清晰影像，如果在这一适当位置放置上毛玻璃板，观察到的影像就会十分清楚。这个倒像的形成主要是由于光的直线传播特性，使景物或发光体的上端的光线在穿过小孔时投在了下端，而其下端的光线则投向上端；相应地，其左侧的光线投向了右端，右侧的光线投向了左端，于是出现一个上下倒置，左右相反的影像。这就是人们认识到的针孔成像原理，同时它也是照相机成像的原理。

(2)光的直线传播定律

光的直线传播是指光在同种均匀介质中沿直线传播，它是几何光学的基本定律之一。通常人们利用这一原理，可以简明地解释成像问题（如针孔成像）。人的眼睛也是根据直线传播来确定物体或像的位置的。另外，在光的衍射理论中，其直线传播特性也是成立的，这一点，在本书稍后的部分会讲到。

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日晷和皮影

我国是较早应用“光的直线传播原理”的国家之一，我国古代天文历法中广泛地应用了光的这一特性。如先人制造的“圭表”和“日晷”，以太阳为观测目标，通过测量日影的长短和方位，来确定时间、夏至点、冬至点等，是我国流传最古老的天文仪器。同时，可在天文器上安装窥管，来测量恒星的位置、观察天象。

我国独具民族文化特色的皮影戏

除此之外，根据光的“直线传播特性”，古人还发明了皮影戏。汉初期的齐少翁会制作皮影戏，用纸剪出人物，使人物在白幕后表演，并且用光照射，使皮影人物及其道具的影像投影到白色幕上，这样，幕外的人就可以清楚地看到影像的表演。到了宋代，皮影戏已经非常盛行，后来它又传到了西方，引起了西方世界的轰动。

(3)光与影的结合

影子的产生和光的直线传播特性有密切关系，是一种光学现象。光（是指可见光）从光源传播出来时，照射在不透光的物体上，因为沿直线传播的光线被不透光的物体挡住了，于是在其后面受光不到的地方形成一个较暗区域，这个较暗区域就是我们平时所说的影子。它是一个投影，而并非实体。通常，光和不透明物体是影子产生的两个必要条件。

影子现象

影子有本影和半影之分，本影是影子中部特别黑暗的部分，而半影是四周灰暗的部分。由于影子和光线的相互关系，在自然界，光与影巧妙结合产生了许多奇妙的自然现象，如日食、月食以及前面讲过的小孔成像，就是我们大家所熟知的。其中，日食和月食是光在天体中沿直线传播受到阻碍的典型例证。

影子现象