科技館光學(xué)展品研究

1、    科技館光學(xué)展品研究    高月 溫琳琳doi：10.19392/ki.16717341.201720003摘要：從古至今，在光學(xué)領(lǐng)域的科技發(fā)展對世界的影響也非常明顯。在科技館內(nèi)，光學(xué)類的展品推陳出現(xiàn)，雖不能全面展現(xiàn)出光學(xué)的博大精深，但是也能起到為大眾進(jìn)行基礎(chǔ)經(jīng)典光學(xué)的科普作用。本文將從光學(xué)學(xué)科在科技館內(nèi)的展示方式來淺談一下光學(xué)展品的發(fā)展演變。關(guān)鍵詞：科技館；光學(xué)；展品；發(fā)展光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科。圭表是人類最早創(chuàng)造并使用的光學(xué)儀器，由圭和表兩部分組成。中國西周丞相周公旦（公元前約1105年）在河南登封縣設(shè)置了世界上最早的計(jì)時(shí)器圭表。人們可

2、以從太陽照射圭的影子對照表上的刻度來計(jì)時(shí)了。約在公元前400多年（先秦年代），中國的墨經(jīng)中就記載了世界上最早的光學(xué)知識(shí)，中國科技館主展廳不但有墨子像，還有“小孔成像”和“光是什么”兩件展品介紹墨子的光學(xué)成就1。 它有8條關(guān)于光學(xué)的記載，它們依次是：影子生成的道理；光線與影的關(guān)系；光線直線行進(jìn)實(shí)驗(yàn)；光的反射特性；從物體與光源的相對位置關(guān)系確定影子大??；平面鏡的反射現(xiàn)象；凹面鏡的反射現(xiàn)象；凸面鏡的反射現(xiàn)象。在這些敘述中，說明了影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系，這些知識(shí)都遠(yuǎn)早于世界其他國家。墨經(jīng)是人類最早的光學(xué)書籍，是我們中華

3、民族的祖先對人類早期文明的巨大貢獻(xiàn)。在墨經(jīng)之后，漢代的劉安、王充，張衡都對光學(xué)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。晉代的張華、唐朝的譚峭等道士、也分別繼承了先賢的知識(shí)并且開始涉獵透鏡。宋代的沈括是推進(jìn)光學(xué)的代表人物，他不但對先賢的原理進(jìn)行了準(zhǔn)確生動(dòng)的描述，并且嘗試提出光學(xué)理論即格術(shù)。明清時(shí)代的學(xué)者對西洋光學(xué)也進(jìn)行了總結(jié)和發(fā)揮，但是中國古人對光學(xué)的研究雖然比較早，但是主要是一些觀察和簡單制作，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓鈱W(xué)幾何知識(shí)的支撐并沒有將我國的光學(xué)發(fā)揚(yáng)光大乃至與世界先進(jìn)水平相差巨大。我國在近代對于光學(xué)的研究基本上難以突破，直到新中國成立后，中國光學(xué)才取得了重大的進(jìn)展，在中國邁向信息社會(huì)的進(jìn)程中和四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)中作出了應(yīng)

4、有的貢獻(xiàn)，并在國際光學(xué)界占有一席之地2。1 我國科技館的光學(xué)經(jīng)典展品在我國科技館的展品中，每個(gè)科技館都會(huì)有一些光學(xué)類的展品，或多或少的展示出了以上光學(xué)的基本原理。光沿直線傳播/影子類別的展品有光影、小孔成像等，在遼寧省科學(xué)技術(shù)館內(nèi)對應(yīng)的展品是月亮、光、影子和我們的眼睛。平面鏡反射類別的展品有潛望鏡、望遠(yuǎn)鏡等，在遼寧省科學(xué)技術(shù)館內(nèi)對應(yīng)的展品是鏡子迷宮和迷你鏡陣。凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系類別的展品有哈哈鏡等，在遼寧省科學(xué)技術(shù)館內(nèi)對應(yīng)的展品是看得見摸不著和凹面鏡成像。2 科技館中的新興光學(xué)類展品我國的科技館中的光學(xué)類展品大多以此類光學(xué)基本原理為主，向現(xiàn)代科學(xué)中的光學(xué)引申不多。但是隨著科學(xué)技術(shù)

5、的發(fā)展，科技館的從業(yè)人員也開始逐漸的展示出一些新型的光學(xué)展品：一類是偏振光（偏振片疊加、液晶玻璃、調(diào)光玻璃）、電腦摳像技術(shù)、全息圖像等類展品，這些類展品已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在很多科技館的展廳內(nèi)，對于大型科技館已經(jīng)是標(biāo)配展品，對于光學(xué)展品展示最齊全的科技館是長春中國光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，是我國唯一的國家級光學(xué)專題科技館，是由王大珩、丁衡高、周炳琨、母國光四位院士向溫家寶總理提議，溫總理親自批示建立的大型光學(xué)科普基礎(chǔ)設(shè)施。遼寧省科學(xué)技術(shù)館中的探索發(fā)現(xiàn)展廳內(nèi)的所有光學(xué)展品均由德國阿基米德公司設(shè)計(jì)，德國賀廷根公司和荷蘭bruns公司制作，展品原理準(zhǔn)確，展示方法和展品制作質(zhì)量與國際接軌，將很多國內(nèi)的老式光學(xué)類展品的展

6、示方式提高了一個(gè)臺(tái)階，例如加色法、光具座、丁達(dá)爾現(xiàn)象、衍射格柵、偏振光、鏡子迷宮、潛望鏡、三棱鏡折射等。另一類是新興的全息投影、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，ar）和虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，vr）技術(shù)類展品，這些展品融合了光學(xué)、傳感器、通信、信息處理和計(jì)算機(jī)圖形等技術(shù)，這些展品代表了科技館中的光學(xué)類展品的最高水準(zhǔn)。目前尤其以虛擬現(xiàn)實(shí)能最好的為體驗(yàn)者提供一個(gè)關(guān)于視覺、聽覺、肢體感覺等感官的模擬，有知足的“沉浸感”與“身臨其境”3。以下分別介紹：全息特指一種技術(shù)，可以讓從物體發(fā)射的衍射光能夠被重現(xiàn)，其位置和大小同之前一模一樣。從不同的位置觀測此物體，其顯示的像也會(huì)

7、變化。因此，這種技術(shù)拍下來的照片是三維的。全息這項(xiàng)技術(shù)可以被用于光學(xué)儲(chǔ)存、重現(xiàn)，同時(shí)可以用來處理信息。我國科技館中制作此類展品都是通過全息投影的方式進(jìn)行展示，部分科技館也在科普影院中采用了真人演員與全息投影結(jié)合的方式進(jìn)行科普舞臺(tái)劇演示，效果很好。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠把虛擬信息（物體、圖片、視頻、聲音等等）融合在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，將現(xiàn)實(shí)世界豐富起來，構(gòu)建一個(gè)更加全面、更加美好的世界（例如遼寧省科學(xué)技術(shù)館的“增強(qiáng)的”未來展品）。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在科技館中的應(yīng)用最好莫過于科學(xué)歷史陳列類展品的應(yīng)用，觀眾不但可以聽過高清視頻眼鏡看到解說詞，還在參觀展品時(shí)通過ar技術(shù)看到展品重要部件的

8、數(shù)據(jù)，身臨其境的感受陳列展品的宏大魅力，并且能夠與展品進(jìn)行交互體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)虛擬空間，利用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡能夠使用戶完全沉浸在一個(gè)虛擬的合成環(huán)境中，無法看到真實(shí)環(huán)境；利用雙目視覺原理，虛擬世界在眼鏡中是3d立體的。目前國內(nèi)很多科技館都在展廳內(nèi)展示了vr展品，雖然目前都是一些運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)類或者游戲類的體驗(yàn)內(nèi)容，但是vr未來在科技館展品上應(yīng)用還是很遠(yuǎn)大的，例如將一些抽象的科學(xué)原理、互動(dòng)很危險(xiǎn)很復(fù)雜、空間原因造成無法互動(dòng)的一些原本只能靠制作大型固定展品讓觀眾館看的展品通過vr的方式展示給觀眾。為了能與觀眾進(jìn)行互動(dòng)，在互動(dòng)中讓觀眾體會(huì)到科學(xué)發(fā)展史和科學(xué)內(nèi)容，在科技館中無法將光學(xué)在所有行業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用展示出來，例如醫(yī)學(xué)、能源、存儲(chǔ)、信息傳輸、量子技術(shù)、顯微技術(shù)、天文望遠(yuǎn)鏡和國防等，比較遺憾，但是我相信光學(xué)作為一門如此重要的學(xué)科必定在科技館、人類生活和科學(xué)發(fā)展史中逐步發(fā)展壯大。參考文獻(xiàn)