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中国古代趣味物理实验4



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  10 小孔成像

  小孔成像是初中课本中一个重要的物理实验,信誉优盛开户:该实验最早见于《墨经》:“景到,在午有端与景长,说在端。”“景:光之人,煦若射。下者之人也高,高者之人也下。足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下,在远近有端与于光,故景库内也。”意思是:景像倒立,在于光线交错处有一点状小孔,同时,影像与物体有一定长度(距离)。因为点状小孔极小。影像:光线照到人身上,象箭射入小孔一样。照到人的最下部位反射而成人的最高部位,照到人的最高部位反射而成人的最下部位。人足在下遮蔽着下光,所以脚的影像映在壁的上方;人头在上遮蔽着上光,所以头的影像映在壁的下方。由于在物体的远处或近处有一点状小孔和物体被光线直线所射,所以影像倒立在窟孔里面的壁上。 

  小孔成像实验记载还有许多,北宋沈括在解释“阳燧照物皆倒”时就涉及到小孔成像的问题:“若鸢飞空中,其影随鸢而移,或中间为窗隙所束,则影与鸢相违:鸢东则影西,鸢西则影东。”宋末元初的赵友钦还以楼房为光学实验室进行过专门研究。元代郭守敬发明的“仰仪”和“景符”也运用了小孔成像原理。 

  值得指出的是,上面叙述只限于“倒像”,直代清代,郑复光才指出影屏上还能形成正像(光斑)的事实。

  11 悬镜照邻

  《淮南万毕术》云:“高悬大镜,坐见四邻。”高诱注曰;“取大镜高悬,置水盆于其下,则见四邻矣。”我们清楚,静止的水面是光的良好反射面,还在原始社会,人类就已注意到平静湖面中的倒影(像)。早在殷商时代,我国就已有人利用静止的盘水作为照像器具,这种器具叫“水鉴”,即后来所说的“水镜”。

  在悬镜照邻实验中,水盆的作用是把从大镜反射到水盆水面的光线再反射给人眼,使人能看到宅内看不见的宅外景像。很明显,水盆与大镜的组合,已构成实验装置———潜望镜。中学课本中的潜望镜,通常是把两面玻璃镜成45°角安装在“Z”形曲管的转弯处,而上述潜望镜则没有“Z”形曲管,所以人们把它叫做开管潜望镜,它是潜望镜的鼻祖。 

  12 杯中显“影” 

  “徐州护戎陈皋供奉,行田间遇开墓者,得玛瑙盂,圆净无雕镂纹,盂中容二合许,疑古酒卮也。陈用以贮水注砚,因间砚之中有一鲫,长寸许,游泳可爱。意为偶汲池水得之,不以为异也。后或疑之,取置缶中,尽出余水,验之鱼不复见。复酌水满中,须臾一鱼泛然而起,以手取之,终无形体可拘。复不可知为何宝也。余视之数矣。”

  关于容器中的显“影”现象,张英、王士祯在《渊鉴类函》中也有记载:“真率齐笔记云:关关赠余本明以青华酒杯,酌酒辄有异香在内,或有桂花,或梅,或兰,视之宛然,取之若影,干则不见矣。”由此可知,关关赠余本明的酒杯不止一个,且每个酒杯装酒后会显示出不同图象。显然,杯中显“影”并非偶然,它是人们对酒杯特意加工后形成的。1979年,山西省侯马市一工厂科技人员,通过长期研究,仿制蝴蝶杯获得成功,其原理如下:在杯底中央嵌装一枚凸透镜,在杯脚里以细弹簧(游丝)装上一个彩蝶,只要杯受微小干扰,彩蝶就能舞动。杯中无酒时,彩蝶在凸透镜焦点之外,造成与人眼同侧的实像,人眼视之很模糊。斟酒入杯后,这层透明的酒成了一枚凹透镜,凸透镜与凹透镜组合成为复合透镜。复合透镜的焦距比凸透镜的焦距大,彩蝶便落在复合透镜焦距之内,造成了放大的虚象,大约位于明视距离处。此时复合镜起放大镜作用,故人眼很清楚地看到放大了的蝴蝶。因杯拿在手里总要受点干扰,蝴蝶也就翩翩起舞了。古人砚中可能没有弹簧,但水面微小的波动,足以使鲫“游泳可爱”。


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