我國(guó)古代的光學(xué)成就

1、我國(guó)古代的光學(xué)成就 我國(guó)古代光學(xué)以其輝煌成就震驚了世界科學(xué)界，也給我們留下深刻的啟迪。 、光的直進(jìn)性和小孔成像 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨家學(xué)派所著墨經(jīng)的經(jīng)下18條記載了世界 上最早的針孔成像實(shí)驗(yàn)：“景到（倒），在午有端，與景長(zhǎng)，說(shuō)在端”、此處 “景”即影或像，“到”即倒，“午”指遮光屏，“端”即小孔。這句話的意思 是，物體的影或像所以倒轉(zhuǎn)，是由于屏上有一點(diǎn)狀小孔，入射 光線在孔中相交的 緣故。墨經(jīng)的經(jīng)說(shuō)還就倒像的形成機(jī)理作了說(shuō)明：“景：光這人，煦 （照）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?！币馑际钦f(shuō)光照人，人 體反射后如同箭一樣直進(jìn)，通過(guò)針 孔在屏幕上見(jiàn)到的

2、人之下部在高處，人的上部在低處，其原因在于：發(fā)自足部的 光線被遮去了下面部分，所以成影在上；發(fā)自頭部的光線被遮去了上面部分， 所以成影在下，如圖1所示。 宋元之交的趙友欽也研究過(guò)小孔成像, 門介紹。 因其方法論意義而放在后面專 、平面鏡反射及成像 墨家學(xué)派在其所著墨經(jīng)中首先研究了光的反射。經(jīng)說(shuō):“景：日之 光，反燭人，則景在日與人之間”。通常日光照人之影在來(lái)光方向的另一側(cè)，但 若日光經(jīng)平面鏡反射之后再照人體，則影落在太陽(yáng)與人體之間了。這是一個(gè)演示 光線反射的絕好實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。墨經(jīng)還研究了平面鏡成像。經(jīng)下21 條：“臨鑒而立景倒?！边@里的“鑒”指 平面銅鏡，意思是說(shuō)人若俯臨鏡子 立著（平面鏡

3、水平放置）,則所成之像是頭部朝下顛倒的。墨經(jīng)還描述了平 面鏡成像種種，指岀像的形狀、顏色、遠(yuǎn)近以及正倒都與物體相對(duì)稱；也指出若 物體移動(dòng)像亦移動(dòng)，物體 距鏡面近了像也隨之變近，反之亦然。 、球面鏡成像 墨家學(xué)派在所著墨經(jīng)中記錄了凹面鏡成像的兩種情況。經(jīng)下22 條：“鑒洼，景一小而易，一大而正，說(shuō)在中之外、內(nèi)”。此處“洼”即 “凹”，“鑒洼”即凹面鏡，“中”是指球面中心與焦點(diǎn)之間的區(qū)域。這句話是 說(shuō)：凹面鏡成像，一種情況是縮小而倒立，一種情況是放大而正 立，這是由于物 處于“中”的外、內(nèi)的不同而造成的。這一條是墨家實(shí)驗(yàn) 者從遠(yuǎn)處走近凹面鏡時(shí) 所觀察成像情況的真實(shí)記錄吧。經(jīng)下23條記 述了凸面鏡成

4、像的實(shí)驗(yàn)：“鑒團(tuán)，景一，說(shuō)在刑之大?！苯?jīng)說(shuō):“鑒 者近， 則所鑒大，景亦大；其遠(yuǎn)，所鑒小，景亦小；而必正”是說(shuō)凸面鏡成像僅有 一種情況：物體放在鏡前無(wú)論距離遠(yuǎn)所，都在鏡后生成正立縮小的虛像。但像的 縮小尺度卻與物體的位置有關(guān)，物體靠近鏡時(shí)像相對(duì) 大些，遠(yuǎn)離鏡時(shí)像就小些， 但都是正立像。 對(duì)幾何光學(xué)曾有過(guò)許多杰出貢獻(xiàn)的北宋科學(xué)家沈括，也做過(guò)凹面鏡實(shí) 驗(yàn)： “陽(yáng)燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠(yuǎn)則無(wú)所見(jiàn)，過(guò)此遂倒?！币馑际钦f(shuō)，當(dāng) 物（手指）在鏡面與焦點(diǎn)之間時(shí)成正像，在焦點(diǎn)時(shí)無(wú)像，在焦 點(diǎn)以外時(shí)成倒像。 應(yīng)特別指出的是，沈括發(fā)現(xiàn)有一個(gè)“無(wú)所見(jiàn)”（成像在 無(wú)限遠(yuǎn)）的物體位置（焦點(diǎn)），并指出這一位置是正、

5、倒像的分界點(diǎn)。這 些都是 墨家所不及的。 四、制鏡技術(shù)及其理論研究 在齊家文化遺址出土的圓形銅鏡是距今四千年的史前產(chǎn)物，夏、商、西周， 銅制平面鏡更是大量制造，并由平面鏡發(fā)展為球面鏡,這些，為春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的 光學(xué)研究奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。制鏡技術(shù)的發(fā)展，誕生了登峰造 極之作一一西漢的 “透光鏡”。這是一種青銅鑄造的面鏡，能通過(guò)光線反射使屏幕上映出銅鏡背面 鑄造的圖案文字。透光鏡及其制作方法于西漢中、后期傳到日本，至V明朝前后 日本也能制造了，并稱之為“魔鏡”。但“魔鏡”為什么能“透光”，這一問(wèn)題 在歐洲科學(xué)界整整爭(zhēng)論了一個(gè)世紀(jì)卻仍未找到答案。最早揭開(kāi)“魔鏡”之謎的是 北宋科學(xué)家沈括，在他的理 論指導(dǎo)

6、下，復(fù)旦大學(xué)和上海博物館的研究人員終于在 1975年復(fù)制岀具有“透光”性能的銅鏡，使此失傳的技藝重放光彩。 對(duì)于透光鏡能夠反射背面花紋的原因，沈括認(rèn)為：“文雖在背，而鑒 面隱然有跡”，這是說(shuō)在鏡的正面也有一幅與背面花紋相對(duì)應(yīng)的圖案，只 是此圖案痕跡太細(xì)微，人眼不能辨識(shí)罷了。但當(dāng)光反射在屏上時(shí)由于光程 變大， 長(zhǎng)光程的放大效應(yīng)就會(huì)在幕上顯示出鏡面的圖案。是什么原因使得“鑒面隱然有 跡”呢？沈括認(rèn)為是鑄鏡時(shí)冷卻速度的不同所致：“世有透 光鑒原其理，以為鑄時(shí)薄處先冷，唯背文差厚，后冷而銅縮多，文雖在背， 而鑒面隱然有跡，所以于光中現(xiàn)?！逼湟馑际倾~鏡的厚度并非均勻，鑄造時(shí)有銘 文圖案的地方較厚，冷卻得

7、慢，收縮程度大；無(wú)銘文圖案的地 方較薄，冷卻得 快，收縮程度小。這種收縮率的差異就造成了 “鑒面隱然 有跡”。從而揭開(kāi)了 “透光鏡”的奧秘。 五、趙友欽的光學(xué)實(shí)驗(yàn) 宋末元初的趙友欽通過(guò)大型針孔實(shí)驗(yàn)，即論證了光的直進(jìn)性，又說(shuō)明了光 源大小、強(qiáng)度與針孔的大小、距離，以及像的大小、亮度之間的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)裝置趙在樓下兩個(gè)相鄰房間地面各挖一圓形(直徑4尺)旱井，左井深八尺右 井深四尺，左井內(nèi)放一高四尺的桌子，將兩個(gè)直徑四尺的圓板密插1000支點(diǎn)燃 的蠟燭后放在桌上和地上作為光源，再在井口加蓋其中心開(kāi)孔的板，以樓上頂板 為屏，如圖3所示。 屏 g3 實(shí)驗(yàn)步驟(1)令光源、小孔、像屏距離不變，使兩孔的大小不

8、同，孔大者像明亮， 孔小者像暗淡，“其竅寬者所容之光較多，乃千景皆狹而迭砌稠 密，所以濃；竅 窄者所容之光較少，乃千景皆狹而迭砌稀薄，所以淡?！毙蜗蟮卣f(shuō)明了 “景”的 照度與孔徑的關(guān)系。 (2) 改變光源形狀，像的形狀也發(fā)生變化。例如將有井千燭光中的東邊 500支吹滅，樓板上的像在兩邊則變暗，這是“小景隨日月虧食”的模 擬實(shí)驗(yàn)。 (3) 改變孔的大小和形狀?？仔r(shí)，所成像和光源的形狀相同；孔大 時(shí)， 所成像與孔的形狀相同而與光源形狀無(wú)關(guān)。 (4) 改變像距和物距。僅改變像距時(shí)，像的大小、照度隨像距的變化 而變 化；像距小時(shí)成像小而照度大，像距大時(shí)成像大而照度小。 現(xiàn)把趙友欽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表說(shuō)明如下： 趙友欽繼承了墨家學(xué)派不尚空談、注重實(shí)踐的科學(xué)精神，運(yùn)用對(duì)比實(shí) 驗(yàn)以及 定量推理的方法，取得了效果明顯、設(shè)計(jì)巧妙、說(shuō)服力強(qiáng)的成就，不僅在