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原理： 光在同一均勻介質(zhì)中，沿直線傳播

太陽給人類以光和熱，這是人類不可缺少的光源。通過對光的長期觀察，人們發(fā)現(xiàn)了沿著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(jìn)入屋里的日光也是這樣。大量的觀察事實(shí)，使人們認(rèn)識到光是沿直線傳播的。為了證明光的這一性質(zhì)，大約二千四五百年前我國杰出的科學(xué)家墨翟和他的學(xué)生作了世界上第一個(gè)小孔成倒像的實(shí)驗(yàn)，解釋了小孔成倒像的原理。雖然他講的并不是成像而是成影，但是道理是一樣的。

在一間黑暗的小屋朝陽的墻上開一個(gè)小孔，人對著小孔站在屋外，屋里相對的墻上就出現(xiàn)了一個(gè)倒立的人影。為什么會有這奇怪的現(xiàn)象呢？墨家解釋說，光穿過小孔如射箭一樣，是直線行進(jìn)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(xué)解釋。

墨家還利用光的這一特性，解釋了物和影的關(guān)系。飛翔著的鳥兒，它的影也仿佛在飛動著。墨家分析了光、鳥、影的關(guān)系，揭開了影子自身并不直接參加運(yùn)動的秘密。墨家指出鳥影是由于直線行進(jìn)的光線照在鳥身上被鳥遮住而形成的。當(dāng)鳥在飛動中，前一瞬間光被遮住出現(xiàn)影子的地方，后一瞬間就被光所照射，影子便消失了；新出現(xiàn)的影子是后一瞬間光被遮住而形成的，已經(jīng)不是前一瞬間的影子。因此，墨家得到了“景不徙”的結(jié)論，“景”通“影”，就是說，影子不直接參加運(yùn)動。那么為什么影子看起來是活動著的呢？這是因?yàn)轼B飛動的時(shí)候，前后瞬間影子是連續(xù)不斷地更新著，并且變動著位置，看起來就覺得影是隨著鳥在飛動一樣。在二千四五百年前，能這樣深入細(xì)致地研究光的性質(zhì)，解釋影的動和不動 的關(guān)系，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(xiàn)象。

十四世紀(jì)中葉，元代天文數(shù)學(xué)家趙友欽在他所著的《革象新書》中進(jìn)一步詳細(xì)地考察了日光通過墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙相當(dāng)小的時(shí)候，盡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(shí)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。對于這一現(xiàn)象，趙友欽經(jīng)過精心思索和研究，得出了關(guān)于小孔成像的規(guī)律。他認(rèn)為孔相當(dāng)小的時(shí)候，不管孔的形狀怎樣，所成的像是光源的倒立像，這時(shí)孔的大小只不過和像的明暗程度有關(guān)，不改變像的形狀。當(dāng)孔相當(dāng)大的小孔成像示意圖。時(shí)候，所得到的像就是孔的正立像。

為了證實(shí)這個(gè)結(jié)論，趙友欽設(shè)計(jì)了一個(gè)比較完備的實(shí)驗(yàn)。在樓下的兩間房子的地板中各挖兩個(gè)直徑四尺多的圓井，右邊的井 深四尺，左邊的深八尺，在左井里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(diǎn)燃后，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(shí)可以看到樓板上出現(xiàn)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，說明了東邊的燭成像于西，西邊的成像于東，南邊的成像于北，北邊的成像于南，每根燭都有對應(yīng)的像，由于一千多枝燭是密集成圓的，所成的像也相互連接成為圓像。這樣就說明了在光源、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。如果把右井里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(dāng)于日月食的時(shí)候影和日、月食分相等一樣。如果在左邊中蠟燭巰密相間，只燃點(diǎn)二三十枝，那像雖是圓形分布，但是各是一些不相聯(lián)接的暗淡方像；如果只燃一燭，方孔對于燭光源來說不是相當(dāng)?shù)匦。蚨霈F(xiàn)的是方孔的像；把所有的燭重新點(diǎn)著，左邊的像就恢復(fù)圓形。其次，在樓板上平行于地面吊兩塊大板作為像屏，這時(shí)像屏距孔近，看到的像變小而明亮。接著去掉上面所說的吊著的兩塊板，仍以樓板作為像屏，撤去左井里的桌子，把蠟燭放到井底，這時(shí)左井的光源離方孔遠(yuǎn)，左邊的樓板上出現(xiàn)的像變小，而且由于燭光弱，距離增加后亮度也變?nèi)酢倪@些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，趙友欽歸納得出了小孔成像的規(guī)律，指出了燭（光源）的遠(yuǎn)近、強(qiáng)弱和小孔、像屏的遠(yuǎn)近之間的關(guān)系，指出像屏近孔的時(shí)候像小，遠(yuǎn)孔的時(shí)候像大；燭距孔遠(yuǎn)的時(shí)候像小，近孔的時(shí)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(yuǎn)孔，但是光強(qiáng)，像也就亮。實(shí)驗(yàn)的最后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(diào)節(jié)板的高底，就是改變光源、孔、像屏之間的距離。這時(shí)仰視樓板上的像，左邊是三角形，右邊是方形。這說明孔大的時(shí)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(yuǎn)，像大而暗淡。

從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)論，并指出這個(gè)結(jié)論是“斷乎無可疑者”。用這樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，來證明光的直線傳播，闡明小孔成像的原理，這在當(dāng)時(shí)世界上是絕無僅有的。

光的直線傳播性質(zhì)，在我國古代天文歷法中得到了廣泛的應(yīng)用。我們的祖先制造了圭表和日晷，測量日影的長短和方位，以確定時(shí)間、冬至點(diǎn)、夏至點(diǎn)；在天文儀器上安裝窺管，以觀察天象，測量恒星的位置。

此外，我國很早就利用光的這一性質(zhì)，發(fā)明了皮影戲。漢初齊少翁用紙剪的人、物在白幕后表演，并且用光照射，人、物的影像就映在白幕上，幕外的人就可以看到影像的表演。皮影戲到宋代非 常盛行，后來傳到了西方，引起了轟動。

如左圖所示，當(dāng)孔比較小的時(shí)候，物的不同部分發(fā)出的光線也到達(dá)像的不同的部分，所以物的不同部分發(fā)出的光線不會重疊，所以像就會比較清晰，比如物的C處發(fā)出的光線就不會到達(dá)B處，所以也就不會發(fā)生物的C處發(fā)出的光線與物的A處發(fā)出的光線的重疊，所以B處的像就比較清晰；而一旦孔大到一定程度，物的不同部分發(fā)出的光線就會在像處發(fā)生重疊，像自然也就不清晰了，比如說物的C處發(fā)出的光線就會與物的A處發(fā)出的光線重疊于B處，這樣B處的像就不知道是誰的像了，自然像也就不清晰了。所以板及小孔相當(dāng)于一個(gè)分解器，將來自物的不同部分的光線分解了，所以也就成像了。我們在日常生活中所以在面對物的一張白紙上看不到像，不是因?yàn)榘准埳蠜]有來自于物的光線，而是因?yàn)閬碜杂谖锏牟煌糠值墓饩€在白紙上重疊了，所以我們的眼睛無法看到物的像。而一旦我們用透鏡或小孔將來自物的光線投射到白紙的不同的部分，那么物的像就顯現(xiàn)出來了。當(dāng)然大小是相對的，這個(gè)孔的大小是相對于物的大小說的，如果物很大，那么就是孔比較大，也還是可以成像的。只是孔越小，成的像的分辨率越高。當(dāng)然如果孔太小，那么通過的光線就會少，像也就未必有足夠的亮度了。而且孔太小還會發(fā)生衍射什么的，這也會對成像有影響。