六、《草象新书》

《草象新书》是我国古代突出的实验物理学家赵友钦（1279—1368）所著。他在书中对光学现象作了比较深入的研究和详细的描述，并用实验进行小孔成像的研究，指出了小孔成像的规律。

从实验知道，光通过小孔时，不论孔的形状如何，屏上得到的光斑总是发光物的像。当孔相当大时，则屏上得到的光斑形状随孔的形状而定，孔方则方，孔圆则圆。他对这个现象的解释是“罅小则不足容日月之体，是以随日、月之形而圆，及其缺则皆缺。”“罅大而可容日、月之体也。”说明了小孔成像与孔的大小有关。

为了证明这个结论，赵友钦设计了一个完备的实验（赵友钦实验图见插页图7）。他把一个二层楼房作为实验室，在楼下的两间房子的地面上各挖一个直径约1.33米（四尺）的圆井，右边井深约1.33米（四尺），左边井深约2.66米（八尺），在左边井里放一只约1.33米（四尺）高的桌子，在左井桌上和右井井底各放一块密插1000多支蜡烛的圆板，作为光源，把它们看作太阳或月亮。在楼板上各有一小方孔，左边的孔宽约3.3厘米（一寸），右边的孔宽约1.65厘米（半寸）。他的这些设计都是有道理的。例如他用相邻两个房间而楼板开孔不同，就是为了对比；他把作为光源的蜡烛放在井内，就可以使烛焰比较稳定；井开得相当大，就可以放得下1000多支烛；楼板上孔是较小的方形，可以看到出现的像是圆形，证明像的形状与小孔的形状无关，只是孔较大的较明亮，孔较小的较暗淡。但光源的形状如果改变，像的形状也要改变，例如，熄灭一半蜡烛，光源变为一半圆形时，像也缺了一半，烛盘缺左半，像缺右半；烛盘缺右半，像缺左半，证明小孔成的像是倒像。如果撤去左井内小桌，把烛盘放在井底，也就是增大了光源与小孔的距离（物距），则天花板上的像就缩小，而亮度却增加了。这种实验设计可以说是考虑得很周密的。

经过一系列的周密的观察实验以后，赵友钦指出：“凡景近窍者狭，景远窍者广；烛远窍者景亦狭，烛近窍者景亦广。景广则淡，景狭则浓。烛虽近而光衰者，景亦淡，烛虽远而光盛者，景亦浓。由是察之，烛也，光也，窍也，景也，四者消长胜负，皆所当论者也。”赵友钦的这种正确科学论断，西方直到16世纪末才由开普勒得出，比我国晚了300年。

这里也应指出的是，赵友钦在进行上述小孔成像的研究中，采用的那种实验步骤，即只改变孔的大小；只改变光源的形状；只改变像距；只改变物距；只改变孔在物、像间的位置，即同时改变像距和物距等等，都是确定一个因素作为研究对象，而将其他因素控制不变的实验方法，至今仍为物理教学广泛采用。