c 如果物体移动,而日光又照在原处,则原处的影子一定消失。
d 如果物体不移动,则原处的影子也不移动。
(2)双影的形成
《经下》:“景二,说在重。”②
《经说下》:“景,二光夹一光,一光者景也。”明确指出,一个光源只有一个影。两个光源会有两个影。(图1)
图 1
图1甲,只有一个光源,只生成一个阴影。图1乙是A、B两个光源照射而成的。所以说“说在重”。如果两个光源,对称地在树的两旁,树一方受A光,另一方受B光,也就是各有一面背光,一面受光。背光处就生成阴影。两个光源,两个阴影。又比如足球场四角都有强大光源,所以足球场中的人都有四影。
以上说明:
a 一物有时能得到两个阴影,原因在于同时有两个光源存在于两个方向。
b 如果两个光源对称地置于物体两侧,物体只能背在光照的一面产生阴影。
(3)小孔成像
《经下》:“景到,在午有端,与景长,说在端。”
《经说下》:“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'广内章'〔zhang障〕内也。”③
这一节是讲光线通过小孔可以成像,并形成倒影的理论。(图2)
图 2
成像的关键之一是孔(端)要小。如果孔大,就成不了像。可看图3:
图 3
光线自右向左,通过的孔太大,光线在A点相交,A点在幕前,所以在幕上不能成像。成像的大小,还与距离有关。(图4)
以上说明:
a 光线穿过屏的小孔,映在幕上必成倒影。
b 发光物体、反光物体、映幕与屏的距离,决定倒影的大小。
c 只有具备条件,才能在映幕上形成倒影。
左图
午与烛近
午与幕远 影大
右图
午与烛远
午与幕近 影小
图 4
(4)光的反射
《经下》:“景迎日,说在搏(应为转)。”
《经说下》:“景,日之光反烛人,则景在日与人之间。”
如果在正常情况下,光线直接照在物上,应如下图(图5):
图 5
日光由左方射来,背影在右方。
如果有一个平面镜反射过来再照人,就会形成下图(图6):
图 6
上图(图6),阳光从右边照向平面镜。光线由镜反射,又照在人身上,形成人影,影在太阳与人之间,这是一种特殊现象。所以叫做“景迎日”,也就是“日之光反烛(照)人”。“日光反烛”,即回光反射。 日光的反射如图(图7)。
图 7
M是平面镜。光线BA射于A点,当即反射如AD。CA是垂线。BAC是射入角,DAC是射出角。这就是光线的反照情况。
(5)影的大小与远近
《经下》:“景之大小,说在地(地当为柂〔yi夷〕)'凵上干'远近。”
《经说下》:“景,木柂,景短大;木正,景长小;大(光)小于木,则景大于木。非独小也。”④
这一段是说日光照射的影子,它的大小不只与距离有关,而且与被照的实物(木柱)是否直立有关。立柱正直,其影长;立柱斜,其影短。立柱正直,其影较淡;立柱斜,其影较浓。现画图说明(图8):
图 8
甲乙两图,柱与幕距离相等,AB与A′B′长度相等。只因AB是直立,所以影子高、细、淡;A′B′斜立,影子短、粗、深。
至于柱的远近,也影响影的大小。可比较下图(图9):
图 9
烛大于木,烛小于木,效果也不相同。也可比较下图(图10):
图 10
(6)凹面镜的成像
《经下》:“鉴位,景一小而易,一大而正,说在中之外内。”⑤
《经说下》:“然鉴分,鉴中之内,鉴者近中,则所鉴大,景亦大。远中,则所鉴小,景亦小,而必正。起于中,缘正而长其直也。中之外,鉴者近中,则所鉴大,景亦大。远中,则所鉴小,景亦小,而必易。合于中而长其直也。”⑥
中(焦点)之内,见图11:
图 11
PQ 凹面镜O 球心F焦点OX 正轴
AB、CD 鉴者实物 A′B′、C′D′所成虚像 A′B′》C′D′
AB近于焦点,则所鉴大,影亦大。CD远于焦点,则所鉴小,影亦小。即A′B′》C′D′。但所得之影均较实物为大,即A′B′》AB,C′D′》CD。实物在焦点之内,成像必在镜后,正而虚,比实体大。即“一大而正”,亦即“起于中,缘正而长其直也”。
中(焦点)之外,分两种情况:
a 实物位于球心之外,如图12:
图 12
AB近于球心O,所鉴大,影亦大,成像A′B′。CD远于球心O,所鉴小,影亦小,成像C′D′。 A′ B′ 》C′ D′。所得之像均比实物小,且是倒立实像。这就是“一小而易”。
b 实物位于焦点和球心之间,如图13。
图 13
AB近于焦点F,所鉴大,影亦大,成像A′B′。CD远于焦点F,所鉴小,影亦小,成像C′D′。A′B′》C′D′。所得之像均比实物大,A′B′》AB,C′D′》CD,是在球心之外的倒立实像。即“合于中而长其直也”。
(7)凸面镜成像
《经下》:“鉴团,景一,不坚白,说在荆(形)之大。”⑦
《经说下》:“鉴,鉴者近,则所鉴大,景亦大;亓(其)远,所鉴小,景亦小,而必正。”
凸面镜的成像只有一个。光体移近于镜,在所现的光强,成像也大;光体移远,光变弱,成像也小。但都是正立的。
凸面镜的成像也分两种情况:一是物体距镜面较远时,则在镜后生成一个较小而正立的虚像;二是物体距镜面较近时,在镜后生成一个较大而正立的虚像。但像都比实物要小。
(8)平面镜成像之理
《经下》:“临鉴而立,景到。多而若少,说在寡区。”
《经说下》:“临,正鉴,景寡。貌能、白黑,远近、柂正,异于光鉴。景当俱就。去亦当俱,俱用北。鉴者之臭,于鉴,无所不鉴。景之臭无数,而必过正;故同处其体俱。”⑧
图 14
PQ 凸镜O 球心F 焦点AB=CDA′B′、C′D′各为AB、CD在镜后的小而正的虚像,A′B′》C′D′
关于平面镜成像,《经下》原文及《经说下》原文在于说明下面三种情况:
a 一物俯照平镜,成像单一而且是倒的。
平面镜成像只有一个。其所以是倒像,是因为像的形态、白黑、远近、斜正,都是人的眼睛对望光线所现的原故(图15)。
图 15
PQ是一个镜面。AB是一实物。E为眼睛。
A处的光线抵镜面C点,反射至E;B处的光线射于D点,也反射至E。而人们只以为反射光线是从镜面的R点反射而产生的。R是A的像点,同理,S是B的像点。此外,AB上各点都有像点,依次排列为RS,聚合而成物像。AF与FR同长。RS是与AB大小相等,方向相反的颠倒的虚像。AB的箭头向上,RS的箭头向下,成为倒像。因只此一像,所以说“正鉴景寡”。
b 二平镜成90°角(图16)
图 16
两个平面镜0P、OQ,其中OQ平放于桌面,OQ倚在墙上。二镜成90°。物体A同时照在0P、0Q镜上。E是眼睛。
按上述反射的道理,图16中A在OP的虚像为B,在OQ上的虚像为C。而虚像B对于OQ镜又成虚像D,虚像C对于OP镜也成虚像D,所以共成三像。因D是二像的重合,故说“鉴当景俱”。
c 二平镜小于90°角
如果两个平镜的夹角小于90°,成像会多于三个。公式为:像数=360÷角度…1。设二镜夹角为12°,可得像数360÷12…1=29个。也就是说,两个平镜夹角越小,成像越多。现以下图(图17)说明:A在平镜OP上成虚像B,B在平镜OQ上成虚像C,C又在平镜OP上成虚像D,D在平镜OQ上成虚像F。同理,A在平镜OQ上成虚像G,G在平镜OP上成虚像H,H在平镜OQ上成虚像I,I在平镜OP上成虚像F。至此,与A在OP镜的虚像F重合为一。两镜共成像七个,按公式计算,360÷45…1=7,结果相同。以上,因成像反复反射,故说“无数”。
图 17
平镜OP与OQ相接。OQ平置,OP悬起,二镜夹角为∠POQ,成45°角,物体A照于二镜之上,E为眼睛。
如果夹角为120°时,按公式计算应得三像减一像,得二像。因三像中包括一个具像,只因在镜背的方向,已不能见,故说“俱用北(背)”。
“景之臭”接“鉴者之臭”。物体成像后相继反射,故说“无数”。过正是反其正常,在这里指正角斜戾的意思。“其”与“之”同。“体”,部分。“同处其体俱”即图17中的F,是两个虚像的重合。
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注释:
①景,即影,即光照实物所产生的阴影。为读伪,亦作讹,是变化的意思。亡,同无。在,同有。尽,全。古息,古为姑的省文。姑息,暂且休止。影有动静之分。如果鸟不动,其影也不动。如果是飞鸟,一瞥即过。地面的影成为一条直线,这是动影。名家叫做“影徙”。而静影,名家叫做“影不移”。对于“影不移者,说在改也”,张湛注:“影改而更生,非向之影。”这是说易位后生新影,后影已非前影,也是这个意思。
②孙诒让本为“住景二”,住,位之讹,应属上句“一少于二而多于五,说在建住”,今从曹耀湘《墨子笺》改 。
③午,是横直相交。到,是倒的省文。端,是屏上的小孔。午有 端即交点。煦,是照字的误写。之与至同。与,干预。'广内章 ',影库,影帐,幕。
④柂,即木也斜也。'凵上干',即正。木,立柱,用以作为标志或标准物。大小,即长短。
⑤位应作洼,同□。鉴位即鉴凹,亦即凹面镜。这是说凹面镜的成像。
⑥易,是指像的变化,即变样。中指焦点,“中之内”指焦点以内,“中之外”指焦点以外。
⑦团,即凸。鉴团,即凸面镜。荆(形),俗作刑,和形通用。
⑧临,自上俯下。鉴,古时的铜镜。景,像,正鉴,平面镜,省称平镜。景寡,照物只有一个单像。区,面。寡区,区面减少。即二镜的夹角缩小。照物只有一个单像,故说“景寡”。能,态的省文,柂,即柂,斜。异,冀的省文,对望。当,谓两镜相接。俱,相合,谓两像相聚。就,挨拢。去,摆开。即大于正角。北读为背,背之本字。鉴,照镜子。臭,当为臬。
第二节 墨学对力学的贡献
墨子学派对于力学很有研究,达到了当时世界最高水平。《经上》说:“力,形之所以奋也”,就是说力是物体运动变化的原因,这个内容就是牛顿第二定律,只是没有明确提出加速度问题。墨子学派对于加速度是知道的,只是没在这一条中写出来。实际上,所谓“奋”即变速运动。又如《经下》在讲到輲〔chuan船〕车时,有些说法如“上者愈得,下者愈亡”,“上者愈丧,下者愈得”。这些“愈”字,都含有加速度的意思。《经说上》:“力,重之谓下,举重奋也”。这里讲物体下落,即引力作用的必然现象。墨子是引力学说的最早发现者。西方讲引力的发现,首推17世纪的牛顿,而墨子早在2000年前就提出了引力问题,而且“引无力也”,可看作墨家的引力定义。
《墨经》中关于力学的条目,可举例说明如下:
(1)动力
《经上》:“力,形之所以奋也。”
《经说上》:“力,重之谓下,举重奋也。”①
这一条是墨子学派对力的基本概念。从“力,形之所奋也”看,在于说明物体改变动止状态的基本动力。
《经说下》“力,重之谓下”,是说引力的作用。没有引力物体不会下落。墨子不但洞察力可改变物体动止的状态,而且还是引力的最早发现者,说,“引,无力也”,很像引力的定义。
(2)动源于力
《经上》:“动,或从也。”
《经说上》:“动,偏祭从者,户枢免瑟。”②
这一条是说物体从一方面用力送,它就可以移动。这有如门的开关,从一边用力,就可以开或关上,但必须去掉门闩。
这一条是上一条的注解,说明力发挥作用的过程。
(3)动与静
《经上》:“止,以久也。”
《经说上》:“止,无久之不止。当牛非马。若矢过楹。有久之不止。当马非马。若人过梁。”
这里所谓“止”,使动静止下来。这是靠力来完成的。止要靠时间来显示,所以说“止,以久也”。这是静态分析。用,指用力。久,一作灸,有挡的意思。按《经说上》,久即“古今旦暮”,应是时间的长久。楹,堂前的柱子。矢过两楹之间,转眼即逝,这是一种动态。人过桥一步一停地走,这又是一种动态。人们依于时空,时空变了,人物也要变。“无久之不止”,不止是动。“无久之不止”是不存在没有时间的动。反过来说就是“有久之不止”。此条说物体的静止或不静止都需要时间。矢过楹很快,一刹那也是时间。这样说和把牛当作“非马”一样正确。人过桥很慢,一步一停的假像,不能认为真的不动。如果这样,就和错把马当成非马一样了。这如梁启超所说,时间有“无久”与“有久”两种。有久易察,无久很短暂,不易察觉。这一条是讲物的运动,时时在变,不易察觉。
又据谭戒甫《墨经分类译注》,应是:“动荡的物必止,这是用力久柱的原故。这相当于‘牛’是‘非马’一样正确。比方一矢过两楹之间,物(矢)动时有外力久柱也不会停止,这样说和‘马’是‘非马’一样不正确。又如过桥,当人为河水所阻时,不能前进,是有久。但有了桥,就可以继续前进。‘有久必止’是常态,‘有久不止’是变态。”
(4)合力
《经下》:“合与一,或复,否。说在拒。”
《经说下》无。
这一条经说无文,不易考察。可有两种理解:
一是按《墨经分类译注》,这一条属于力学。它是说合是合力,是几个力的综合。“一”是一力。合与一有敌对之意。“复”是合力,或反动力。“否”是“不复”,言回力过小,不易察觉。拒是抗力、抵抗力。
二是据《墨子校注》,认为这一条说的是矛盾的关系。合与一既合之后,思想自身又孕育矛盾,生出否定思想,而易相对立。
(5)平衡
《经下》:“负而不挠,说在胜。”
《经说下》:“负,衡木。加重焉而不挠,极胜重也,(左)右校交绳,无加焉而挠,极不胜重也。”③
这一条说明:人用一扁担挑物是平衡的。若一头加重,就是要倾倒。如果不偏不斜,就是“极胜重”。两立柱间拴绳,不负重也是弯的,这是极不胜重。说“负而不挠”,是可以承重,即“说在胜”。
(6)杠杆
《经下》:“奥而必出,说在得。”
《经说下》:“衡,加重于其一旁,必捶。权重相若也,相衡则本短标长。两加焉,重相若,则标必下。标得权也。”④
在秤已平衡时,在一头加重,这一头必然下垂。因为未加重前,权(秤砣)与物(重)是相均衡的。所以说:“衡,加重于一旁,必捶,权重相若一杆秤(如图18),本短,标长。按今天的公式说,本的长度与所悬重量的积等于标的长度与秤砣的积,两头就会平衡。这时两头加以相等重量,则秤砣一头必然下垂,这就是“两加焉,重相若,则标必下”。
图 18
以上,与古希腊阿基米德的杠杆原理表述有异,含义相同。
(7)上提与下曳
《经下》:“挈与收仮(反),说在薄。”
《经说下》:“挈有力也,引无力也。不正,所挈之止于施也。绳制挈之也。若以锥刺之,挈,长重者下,短轻者上,上者愈得,下者愈亡