1.神奇的小孔—光的直線傳播

(1)光的直線傳播特性

太陽賜予人類光和熱，是人類不可或缺的光源。但是由于地球有自轉(zhuǎn)運(yùn)動，地球上便產(chǎn)生了白晝和黑夜的交替現(xiàn)象。每到晚上，太陽就不見了，黑暗就籠罩著大地。生活在遠(yuǎn)古時代的人類祖先，把黑暗看作一種可怕、可惡的東西，他們對于黑夜是無能為力的。直到今天，黑暗仍然被人們用來形容邪惡。后來，不知經(jīng)歷了多少個世紀(jì)，人類終于發(fā)現(xiàn)了火，并用它來提供光和熱。而意味著“人類歷史劃時代進(jìn)步”的發(fā)明—人工摩擦取火，使人類“第一次擁有了支配自然的力量”，從而把人同動物分開。在過去漫長的時間里，雖然后來人們又創(chuàng)造了油燈、蠟燭，但還是與火有關(guān)。因此，火一直是人們唯一可以利用的人造光源。直到近代發(fā)明了新的人造光源，光取代了火的作用。

太陽光

火光

在長期的生活中，人們通過對光的觀察，已經(jīng)意識到光的直線傳播特性。為了證明光的這一性質(zhì)以及針孔成像原理，在大量的實驗和觀察的基礎(chǔ)上，我國先秦時期科學(xué)家墨子及元代著名的天文數(shù)學(xué)家趙友欽分別在其著作《墨經(jīng)》和《革象新書》中，做了相當(dāng)詳盡的記載和論述，這在當(dāng)時世界是絕無僅有的。

大自然中光的直線傳播現(xiàn)象

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針孔成像

早在公元前400年前，墨子在其著作《墨經(jīng)》中對針孔成像的原理有明確的記載和闡述，那么，針孔成像究竟是怎么一回事呢？

由于光有直線傳播的特性，所以，當(dāng)來自事物反光或發(fā)光體的光線通過一個小孔時，在與景物或發(fā)光體相對應(yīng)的相反方向的一定位置上，便會形成一個和景物或發(fā)光體的影像上下顛倒的清晰影像，如果在這一適當(dāng)位置放置上毛玻璃板，觀察到的影像就會十分清楚。這個倒像的形成主要是由于光的直線傳播特性，使景物或發(fā)光體的上端的光線在穿過小孔時投在了下端，而其下端的光線則投向上端；相應(yīng)地，其左側(cè)的光線投向了右端，右側(cè)的光線投向了左端，于是出現(xiàn)一個上下倒置，左右相反的影像。這就是人們認(rèn)識到的針孔成像原理，同時它也是照相機(jī)成像的原理。

(2)光的直線傳播定律

光的直線傳播是指光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，它是幾何光學(xué)的基本定律之一。通常人們利用這一原理，可以簡明地解釋成像問題（如針孔成像）。人的眼睛也是根據(jù)直線傳播來確定物體或像的位置的。另外，在光的衍射理論中，其直線傳播特性也是成立的，這一點，在本書稍后的部分會講到。

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日晷和皮影

我國是較早應(yīng)用“光的直線傳播原理”的國家之一，我國古代天文歷法中廣泛地應(yīng)用了光的這一特性。如先人制造的“圭表”和“日晷”，以太陽為觀測目標(biāo)，通過測量日影的長短和方位，來確定時間、夏至點、冬至點等，是我國流傳最古老的天文儀器。同時，可在天文器上安裝窺管，來測量恒星的位置、觀察天象。

我國獨(dú)具民族文化特色的皮影戲

除此之外，根據(jù)光的“直線傳播特性”，古人還發(fā)明了皮影戲。漢初期的齊少翁會制作皮影戲，用紙剪出人物，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，這樣，幕外的人就可以清楚地看到影像的表演。到了宋代，皮影戲已經(jīng)非常盛行，后來它又傳到了西方，引起了西方世界的轟動。

(3)光與影的結(jié)合

影子的產(chǎn)生和光的直線傳播特性有密切關(guān)系，是一種光學(xué)現(xiàn)象。光（是指可見光）從光源傳播出來時，照射在不透光的物體上，因為沿直線傳播的光線被不透光的物體擋住了，于是在其后面受光不到的地方形成一個較暗區(qū)域，這個較暗區(qū)域就是我們平時所說的影子。它是一個投影，而并非實體。通常，光和不透明物體是影子產(chǎn)生的兩個必要條件。

影子現(xiàn)象

影子有本影和半影之分，本影是影子中部特別黑暗的部分，而半影是四周灰暗的部分。由于影子和光線的相互關(guān)系，在自然界，光與影巧妙結(jié)合產(chǎn)生了許多奇妙的自然現(xiàn)象，如日食、月食以及前面講過的小孔成像，就是我們大家所熟知的。其中，日食和月食是光在天體中沿直線傳播受到阻礙的典型例證。

影子現(xiàn)象