光的直線傳播

為了表示光的傳播情況，我們通常用一條帶箭頭的直線表示光的徑跡和方向。這樣的直線叫光線。

光在同種均勻的介質中是沿直線傳播的。

光的直線傳播性質，在我國古代天文曆法中得到了廣泛的應用。我們的祖先製造了圭表和日晷，測量日影的長短和方位，以確定時間、冬至點、夏至點；在天文儀器上安裝窺管，以觀察天象，測量恆星的位置。

通過對光的長期觀察，人們發現了沿着密林樹葉間隙射到地面的光線形成射線狀的光束，從小窗中進入屋裏的日光也是這樣。大量的觀察事實，使人們認識到光是沿直線傳播的。為了證明光的這一性質，大約二千四五百年前我國傑出的科學家墨翟和他的學生完成了世界上第一個小孔成倒像的實驗，發現並解釋了小孔成倒像的原理。

在一間黑暗的小屋朝陽的牆上開一個小孔，人對着小孔站在屋外，屋裏相對的牆上就出現了一個倒立的人影。對此，墨家解釋説，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。這是對光直線傳播的第一次科學解釋。

十四世紀中葉，元代天文數學家趙友欽在他所著的《革象新書》中進一步詳細地考察了日光通過牆上孔隙所形成的像和孔隙之間的關係。他發現當孔隙相當小的時候，儘管孔隙的形狀不是圓形的，所得的像卻都是圓形的；日食的時候，像也有缺，和日的食分相同；孔的大小不同，但是像的大小相等，只是濃淡不同；如果把像屏移近小孔，所得的像變小，亮度增加。對於這一現象，趙友欽經過精心思索和研究，得出了關於小孔成像的規律。他認為孔相當小的時候，不管孔的形狀怎樣，所成的像是光源的倒立像，這時孔的大小隻不過和像的明暗程度有關，不改變像的形狀。當孔相當大的小孔成像示意圖。時候，所得到的像就是孔的正立像。

為了證實這個結論，趙友欽設計了一個比較完備的實驗。在樓下的兩間房子的地板中各挖兩個直徑四尺多的圓井，右邊的井 深四尺，左邊的深八尺，在左井裏放置一張四尺高的桌子，這樣兩井的深度就相同。作兩塊直徑四尺的圓板，板上各密插一千多枝蠟燭，點燃後，一塊放在右井井底，一塊放在左井桌上。在井口各蓋直徑五尺、中心開小方孔的圓板，左板的方孔寬一寸左右，右板的方孔寬半寸左右。這時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，説明了東邊的燭成像於西，西邊的成像於東，南邊的成像於北，北邊的成像於南，每根燭都有對應的像，由於一千多枝燭是密集成圓的，所成的像也相互連接成為圓像。這樣就説明了在光源、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。如果把右井裏東邊的蠟燭熄滅五百枝，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，只燃點二三十枝，那像雖是圓形分佈，但是各是一些不相聯接的暗淡方像；如果只燃一燭，方孔對於燭光源來説不是相當地小，因而出現的是方孔的像；把所有的燭重新點着，左邊的像就恢復圓形。其次，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。接着去掉上面所説的吊着的兩塊板，仍以樓板作為像屏，撤去左井裏的桌子，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，指出了燭（光源）的遠近、強弱和小孔、像屏的遠近之間的關係，指出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，右板開廣四寸的方孔，左板開各邊長五寸的三角形孔，調節板的高底，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。這説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。 ^[2] 

從以上的實驗結果，趙友欽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”。用這樣嚴謹的實驗，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。

墨家還利用光的直線傳播這一特性，解釋了物和影的關係。飛翔着的鳥兒，它的影子也彷彿在飛動着。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。因此，墨家得到了“景不徙”的結論，“景”通“影”，就是説，影子不直接參加運動。那麼為什麼影子看起來是活動着的呢？這是因為鳥飛動的時候，前後瞬間影子是連續不斷地更新着，並且變動着位置，看起來就覺得影是隨着鳥在飛動一樣。在二千四五百年前，能這樣深入細緻地研究光的性質，解釋影的動和不動的關係，的確是非常難能可貴的。墨家還從光線直線傳播的原理解釋了投影和半影的現象。

光從光源傳播出來，照射在不透光的物體上，不透光的物體把沿直線傳播的光擋住了，在不透光的物體後面受不到光照射 的地方就形成了影子。

日食，又作日蝕，在月球運行至太陽與地球之間時發生。這時對地球上的部分地區來説，月球位於太陽前方，因此來自太陽的部分或全部光線被擋住，因此看起來好像是太陽的一部分或全部消失了。

當月球運行至地球的陰影部分時，在月球和地球之間的地區會因為太陽光被地球所遮閉，就看到月球缺了一塊，也就是月食，又稱月蝕。此時的太陽、地球、月球恰好 (或幾乎) 在同一條直線上。

用一個帶有小孔的板遮擋在屏幕與物之間，屏幕上就會形成物的倒像，我們把這樣的現象叫小孔成像。 ^[2]