第三十四章 根据针孔成像，可以制作一个简单的玩具

关于光的基本性质，人们从日常经验中总结出一个结论：光不会拐弯，它只能沿直线传播。严格一点说，光在同种均匀介质中沿直线传播，这是几何光学的重要基础。

为了表示光的传播情况，通常用一条带箭头的直线表示光的径迹和方向，称为光线。

利用光的直线传播，可以简洁明了确定成像问题。人眼就是根据光的直线传播来确定物体或像的位置。

比如日常使用的镜子（图1），眼睛沿直线逆着光线看到的是虚像，而不会拐弯看到实物。

图1 镜面成像

有趣的中国影（图2），这是光直线传播的典型。晚上哄孩子，可以对着灯光在墙壁上做出各种造型。

图2 中国影

类似的还有日食（图3），又称日蚀，民间叫做“天狗吃日头”，月球经过地球和太阳之间时发生。从地球上看，月球的影子部分或全部遮着太阳。

图3 日食

先秦时代（约公元前400~470年）的《墨经》上详实记载了针孔成像（类似于图4）。比古希腊的欧几里得（公元前323～385 年）的记载既早又好，直到15世纪，达•芬奇发明针孔相机。

图4 针孔成像

根据针孔成像原理，可以制作一个简单的演示仪（图5）。

图5 针孔成像演示仪

制作方法：找两个大小稍微有点差异的纸筒，大纸筒一端用黑纸封住，在黑纸上戳一个小孔；小纸筒一端用硫酸纸封住，然后把大纸筒套在小纸筒上，如图5所示。

将小孔对准物体，眼睛靠近硫酸纸，抽拉调节小纸筒，直至在硫酸纸上看到物体的像。
（硫酸纸是一种半透明纸，质地纯净、坚实、密致，广泛适用于手工描绘、印刷、制版、打印、复印等方面。）

夏日炎炎，树荫下的地面上散落着大小不一的圆圆光斑。其实这就是太阳通过树叶缝隙成的像。

日晷[rì guǐ]（图5），本义是指太阳的影子，指的是利用日影测得时刻的一种计时仪器，又称“日规”， 通常由晷针（表）和晷面（带刻度的表座）组成。安放时保持南高北低，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。

图5 日晷

古人的这项发明已有几千年之久，其原理就是根据日影的长短和方位，确定并划分时刻。利用日晷计时的方法是中国文明在天文计时领域的重大发明。

对光为什么会直线传播的解释，牛顿认为光是一种微粒流，粒子很轻，飞行速度很快。微粒从光源飞出来，在均匀介质内按力学定律作匀速直线运动。牛顿用“光的粒子说” 成功地解释了光的反射定律、折射定律和色散现象。

而惠更斯坚持光是一种波，因为光有干涉、衍射现象。惠更斯与牛顿发生了原则性分歧，俩人谁也说服不了谁。

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