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摄影专栏|简明六讲之一,小孔成像的伟大发现

图片说明:摄影专栏|简明六讲之一,小孔成像的伟大发现,。

起源:春秋战国时期墨家的研究大约两千四百多年以前,我国著名学者——墨翟(墨子)和他的学生,做成了世界上第一个小孔成像的实验,并完美的解释了小孔成像的原因,指出了光沿直线传播的性质。自那以后,墨子对这一现像的产生展开了无尽的探索,终于,经过大量的思索和研究,墨子得出结论——光穿过小孔就像射箭一样,是直线进行的,人的头部遮住了上面的光,成影在下边,人的足部遮住了下面的光,成影在上面,于是就形成了倒立的影。这是对光直线传播的第一次科学性的解释。其实啊,故事的戏剧性是我杜撰出来的,为的是让你记住这历史性的一刻,《墨经》中对此的真实描述是,墨子为了研究光的传播特性,亲自设计了这一实验,而不是我所说的“无意中发现”。甚至,他还从光直线传播的原理解释了投影与半影的现象。如果你仔细研究就会发现,他老人家在两千多年前关于小孔成像的描述,实际上与今天的照相光学所讲的内容是完全吻合的。你可以想象,当年墨子要是也被一颗苹果砸中脑袋,并由此产生思考、不断探索,天知道他会研究出什么东西来。进阶:天文数学家赵友钦的实验到了十四世纪中叶,元代天文数学家赵友钦在他所著的《革象新书》中进一步详细考察了日光通过墙上孔隙所形成的像和孔隙之间的关系。他发现当小孔相当小的时候,尽管小孔不是圆形的,所得的成像却都是圆形的(这时小孔成像成的是太阳的像,所以是圆的);尽管孔的大小不同,但是像的大小相同,只是浓淡不同;当墙面和小孔距离变近时,所得的成像会变小,亮度会增加。为了一探究竟,赵友钦设计了一个更为复杂的实验。在楼下的两间房子的地板中各挖了两个直径四尺多的圆井,右边的井深四尺,左边的深八尺,在左井里放置一张四尺高的桌子,保持两井的深度就相同。然后又制作了两块直径四尺的圆板,板上各密插一千多跟蜡烛,点燃后,一块放在右边井底,一块放在左井桌上。在井口各盖上一个直径五尺、中心开小方孔的圆板,左板的方孔宽一寸左右,右边的方孔宽半寸左右。经过不断的实验和总结,赵友钦最终得出了关于小孔成像的规律——当孔相较于光源小到一定程度的时候,不管孔的形状怎么变化,所成的像都是光源的倒立像,这时孔的变化只和成像的明暗程度有关,不改变像的形状。值得一提的是,赵友钦的“照度随光源强度的增强而增强,随着相距的增大而减小”这一粗略的照度定律内容,直到400多年后才由德国科学家莱托博再次提出。而且,他那从客观实验出发,采用大规模的实验方法去探索自然科学规律的科学实践,这在世界物理科学史上是首创的,比世界著名物理学家伽利略整整早了两个世纪。光在同种介质下均沿直线传播其实说到小孔成像,我们应该并不陌生,中学物理课本上都描述过这个实验,如果你有兴趣,也可以亲自去尝试一下这个实验。在一张硬纸板的中心部分扎一个圆形小孔,小孔直径约三毫米,设法把它立在桌面上,然后拉上窗帘,使室内的光线变暗。点上一支蜡烛,放在靠近小孔的地方。拿一张白纸,把它放在小孔的另一边。调整三者距离到合适的位置,会在白纸上看到一个倒立的烛焰。前后移动蜡烛或白纸,可以观察到,蜡烛距小孔的距离越近或白纸距小孔越远,像越大且亮度越暗,反之则像越小且亮度越亮。为了理解这一现象,我们把蜡烛的火焰看成是由许多小发光点组成的,每个发光点都向四面八方发射着光。无数的光线中,总会有一小束光,笔直地穿过小孔,在白纸上形成一个小光斑。烛焰上的每一个发光点都会在白纸上形成对应的光斑,全部的光斑就组成了一个烛焰的像。从图中可以看出,烛焰上部的发的光沿直线通过小孔,照在白纸的下部;烛焰下部发出的光,通过小孔,照在白纸的上部,所以在白纸上形成一个倒立的像。这正是光的直线传播。当孔比较小或者蜡烛距小孔距离较近的时候,物的不同部分发出的光线会到达屏幕不同的部分,而不会在屏幕上相互重叠,所以屏幕上的像就比较清晰。由上图不难看出,由于孔比较小,物的A处发出的光线就不会到达C处,只有物的B处发的光线才会到达屏幕的C处,屏幕上的C处的光线只来自物的B处,所以C处的像就会比较清晰。当孔比较大的时候,物的不同部分发出的光线会在屏幕上重叠,屏幕上的像自然也就不清晰了。如图所示,如果孔相当大,那么A处发出的光线会到达屏幕的C处,而且B处的光线也会到达屏幕的C处,这样光线就会重叠,光的信息就会发生混乱,也就无法成像。我们在面对物的一张白纸之所以看不到像,不是因为白纸上没有来自于物的光线,而是因为来自于物的不同部分的光线在白纸上重叠了。当然,孔的大小是相对于物体来说的,如果物体很大,那么就是孔也比较大,也还是可以成像的。如果我们要成太阳的像,那么就是用足球场那么大的孔也是可以的,只是孔越小,成像的分辨率(清晰度)越高。不过,如果孔太小,通过的光线就会少,像的亮度也会降低,孔太小还会发生衍射等反应,这些都会对成像有影响,所以,比孔像的物体或物体上比孔小的部分其实是无法被成像的。丫空间(yaspace.cn) ,特色活动场地短租平台,以服务为动力,覆盖1000+场地及100+特色服务,旨在帮助活动主组织者完成活动前特色场地租赁、活动服务采购与活动场景设计,从而提高活动组织效率、提升活动品质。

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文章名称:摄影专栏|简明六讲之一,小孔成像的伟大发现

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