【种花家务·物理】4-1-03象和影『数理化自学丛书6677版』

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第一章光的传播（一）

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】  

§1-3象和影

【01】日常生活中的许多光现象，都可以用光的直线传播来解释，例如小孔成象、本影、半影、日食和月食等，它们都是光在同一均匀媒质里直线传播所形成的光现象。

1、小孔成象

【02】在一块硬纸板上戳一个小针孔，把它对着光源（例如蜡烛火焰）置放着，在纸板的另一侧竖放一片毛玻璃，适当地调节它的位置，在毛玻璃上出现的就不是一片均匀的光亮或小孔的形象，而是光源清晰的倒象，这个现象，我们称它做小孔成象。如果把有小孔的纸板和毛玻璃做成象图1·6所示那种暗箱的样子，它就成了一个最简单的照相机了（关于照相机的原理我们以后还要详细介绍）。

【03】光源发出的光，经过小孔以后，为什么会在毛玻璃上映出它的倒象来呢？

【04】我们知道，光源射出的光，是向四周直线传播出去的，它的任何一个发光点只能在沿着与小孔成一直线方向的毛玻璃上形成一个光斑，其他的光线都被纸板挡住了，所以光源的每一个发光点，都将对应地在毛玻璃上留下一个光斑，这许许多多小光斑集合起来，就形成了光源的象。很明显，这个象跟光源比较起来，是上下倒置和左右互换的，图1·7清楚地说明了这一点。

2、本影和半影

【05】如果有一个点光源，照在一个不透明的物体上，沿着直线传播的光线，就被物体遮挡住了，在物体的后面，受不到光的照射的地方，形成一个完全黑暗的阴影区，称做物体的本影。在图1·8中，一个火焰很小的蜡烛（近似地看成是一个点光源）照在竖立在桌面上的圆柱体上，在圆柱体后的桌面上，就出现它的本影。

【06】如果有两个点光源，分别从两个地方照在同一个物体上，这时在物体后面，不仅有完全不受光照的阴影区（物体的本影）存在，还会有半阴暗的阴影区存在，这个半阴暗的阴影区，叫做物体的半影。在图1·9中，有两个小蜡烛照在圆柱体上，在物体后面桌面上那个完全黑暗的锥形阴影就是它的本影，周围半阴暗的阴影，就是它的半影。在本影里，无论光源的那一点所发出的光都不能到达，所以它是完全黑暗的；在半影里，它能够受到光源中某一点或某一部分的照射，但是不能受到光源上另一点或另一些部分的照射，所以它是半阴暗的。在图1·9中，半影区中 H₁ 部分能够受到光源 S₂ 的照射，但是不能受到光源 S₁ 的照射；半影区中 H₂ 部分则能够受到光源 S₁ 的照射，但不能受到光源 S₂ 的照射；在 H₁ 和 H₂ 以外的地方，则既能受到光源 S₁ 的照射，又能受到光源 S₂ 的照射，所以是完全明亮的；这样，在桌面上就有了三个明暗不同的区域。

【07】如果有两个以上的点光源同时照在物体上，这时半影区本身也有了阴暗程度的不同。如图1·10所示，三支小蜡烛照在物体上，靠近本影的半影区比较阴暗一些，再外面一点的半影区就比较明亮一些；同样，半影以外的地方则是完全明亮的，因为无论光源的哪一点所发出的光线，都能同时射到那儿去。

【08】如果，光源不是几个孤立的发光点，而是一个体积很大的发光体，这时我们可以把它看成是许多小发光点的组合，物体半影区的阴暗程度也有了连续的变化，越靠近本影的地方越暗，从里到外逐渐变得明亮一些。当然，在半影区外面的地方，则是完全明亮的。本影和半影的形成，都是光的直线传播的结果。

【09】从以上几种情况可以看出，当光源是一个点光源的时候，物体只存在本影，不存在半影，物体的影子也最清晰；当两个或两个以上点光源同时射在物体上时，物体后面就生成本影和半影。光源分布的区域比物体小的时候，物体后面的本影是发散的（图1·8）；光源分布的区域如果比物体大，则物体后面的本影就是收敛的（图1·9和图1·10）。在光源离开被照射物体距离相等的情况下，光源越大，本影就越小，所以太阳光照射在电线杆上，我们在地面上总是看不见电线的影子。在医院的外科手术室里，就用一个分布区域比较大的光源来照亮手术台，因为它的分布区域比较大，在动手术时，手下面不会产生阴影，所以这种灯叫做无影手术灯（图1·11）。一般室内照明，也都喜欢应用面积较大或较分散的光源来照明，以减小室内物体所产生的阴影。

3、日食

【10】从光源发出的光，沿着直线向四周传播出去，投射在不透明的物体上，就会形成影；自然现象中日食和月食，也可以用成影的原理来解释。

【11】太阳是一个庞大的天然光源，地球和月球本身又都不发光，太阳光照在月球表面，反射到人的眼里，我们就觉得月球很亮，如果没有太阳光射到月球表面上去，我们就不会看见月球。

【12】月球是绕着地球运转的，地球又围绕着太阳公转着，这样，月球就有机会跟太阳、地球处在同一条直线上。当月球运行到太阳和地球之间时，它的影子可能投射到地球表面上来，于是发生了日食（图1·12）。地球上处在月球本影区域里的人，这时完全看不到太阳（整个太阳都被月球遮住了），这叫做日全食（图1·13）。日全食时，看上去天色很昏暗，好象是黄昏一样，天上的星星也能看得见。在月球的半影区域里的人们，这时看见太阳缺了一部分，这部分被月球遮住了，就叫做日偏食（图1·14）。【除了日全食和日偏食以外，还有所谓日环食。被月球本影的延长线笼罩着的地区，如图1·15中的 C 区，就会看到日环食，这时太阳当中阴暗，周围有很光亮的一圈，象一个光环，在图中的区域 A 和 B 中，将会分别看到日偏食和日全食】从图1·12和图1·14可以知道，发生日食的时候，并不是地球上所有的地区都能看见日食，例如1955年6月20日所发生的一次日食，只有我国南沙群岛、菲律宾群岛等地的人能够看见。在观察日食的时候，不要用眼睛直接去观察，避免强烈的太阳光伤害眼睛，人们常常隔着熏黑了的玻璃片去看太阳，或者用面盆盛一盆水，里面倒入一些墨汁，把它对着太阳，然后在面盆里可观察日食的情况。

4、月食

【13】当月球运行到地球的本影里的时候，背着太阳半球上的人，看见原来的圆月变暗了，这叫做月食（图1·16）。整个月球全部进入地球的本影里叫月全食；如果月球只有一部分被地球的本影掩蔽，这叫做月偏食。图1·17就是一次月偏食经过的过程。左上方的第一图是月球刚刚进入地球阴影里时的情况，之后就渐渐有更多的部分进入地球的阴影中，右下角的一张图是这次月偏食中月球被地球的阴影掩蔽得最多时的情形，在这以后，月球又逐渐离开地球的阴影区，直到整个月球都显露出来。

【14】跟月食的情况不同，日食只能在地面上一个狭小的地区内可以看到，月球阴影投射不到的地方看不到日食，而发生月食的时候，除了地球向着太阳的那一面以外，地球上整个背着太阳的半球上的人，都能够同时看到。

【15】由于月球绕地球运行的轨道跟地球公转的轨道不在同一平面上，它们互相倾斜成 5°9' 的交角，所以月食和日食不可能每个月都发生（如图1·18所示）。观测和研究的结果知道，日食和月食的发生，也是有一定的规律的；自从人们掌握了光的直线传播和天体运行的知识以后，日食和月食的现象就得到了科学的解释，并且还能够正确地预算出日食和月食将要发生的时间。

【16】在我国，从很古的时代起，就开始注意到天文的观察，尤其是注意到对日食的观察，同时也涌现了许多优秀的天文学家。在我国的古书记载中，最早一次日食是发生在公元前2137年10月22日，这是世界上最早的日食记录。几千年来，勤劳的我国人民，通过历代的努力观测和研究，已经为我们积累了一些世界上最为详尽可靠的日食研究资料。现代的科学家们还在不断地对日食和月食进行着观测和研究，以便进一步了解太阳的构造和天体运行的复杂规律，从而不断丰富和加深我们对于宇宙天体的认识。