我国古代的光学成就

1、我国古代的光学成就 我国古代光学以其辉煌成就震惊了世界科学界，也给我们留下深刻的启迪。 、光的直进性和小孔成像 春秋战国时期，墨家学派所著墨经的经下18条记载了世界 上最早的针孔成像实验：“景到（倒），在午有端，与景长，说在端”、此处 “景”即影或像，“到”即倒，“午”指遮光屏，“端”即小孔。这句话的意思 是，物体的影或像所以倒转，是由于屏上有一点状小孔，入射 光线在孔中相交的 缘故。墨经的经说还就倒像的形成机理作了说明：“景：光这人，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。”意思是说光照人，人 体反射后如同箭一样直进，通过针 孔在屏幕上见到的

2、人之下部在高处，人的上部在低处，其原因在于：发自足部的 光线被遮去了下面部分，所以成影在上；发自头部的光线被遮去了上面部分， 所以成影在下，如图1所示。 宋元之交的赵友钦也研究过小孔成像, 门介绍。 因其方法论意义而放在后面专 、平面镜反射及成像 墨家学派在其所著墨经中首先研究了光的反射。经说:“景：日之 光，反烛人，则景在日与人之间”。通常日光照人之影在来光方向的另一侧，但 若日光经平面镜反射之后再照人体，则影落在太阳与人体之间了。这是一个演示 光线反射的绝好实验，如图2所示。墨经还研究了平面镜成像。经下21 条：“临鉴而立景倒。”这里的“鉴”指 平面铜镜，意思是说人若俯临镜子 立着（平面镜

3、水平放置）,则所成之像是头部朝下颠倒的。墨经还描述了平 面镜成像种种，指岀像的形状、颜色、远近以及正倒都与物体相对称；也指出若 物体移动像亦移动，物体 距镜面近了像也随之变近，反之亦然。 、球面镜成像 墨家学派在所著墨经中记录了凹面镜成像的两种情况。经下22 条：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外、内”。此处“洼”即 “凹”，“鉴洼”即凹面镜，“中”是指球面中心与焦点之间的区域。这句话是 说：凹面镜成像，一种情况是缩小而倒立，一种情况是放大而正 立，这是由于物 处于“中”的外、内的不同而造成的。这一条是墨家实验 者从远处走近凹面镜时 所观察成像情况的真实记录吧。经下23条记 述了凸面镜成

4、像的实验：“鉴团，景一，说在刑之大。”经说:“鉴 者近， 则所鉴大，景亦大；其远，所鉴小，景亦小；而必正”是说凸面镜成像仅有 一种情况：物体放在镜前无论距离远所，都在镜后生成正立缩小的虚像。但像的 缩小尺度却与物体的位置有关，物体靠近镜时像相对 大些，远离镜时像就小些， 但都是正立像。 对几何光学曾有过许多杰出贡献的北宋科学家沈括，也做过凹面镜实 验： “阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”意思是说，当 物（手指）在镜面与焦点之间时成正像，在焦点时无像，在焦 点以外时成倒像。 应特别指出的是，沈括发现有一个“无所见”（成像在 无限远）的物体位置（焦点），并指出这一位置是正、

5、倒像的分界点。这 些都是 墨家所不及的。 四、制镜技术及其理论研究 在齐家文化遗址出土的圆形铜镜是距今四千年的史前产物，夏、商、西周， 铜制平面镜更是大量制造，并由平面镜发展为球面镜,这些，为春秋战国时期的 光学研究奠定了物质基础。制镜技术的发展，诞生了登峰造 极之作一一西汉的 “透光镜”。这是一种青铜铸造的面镜，能通过光线反射使屏幕上映出铜镜背面 铸造的图案文字。透光镜及其制作方法于西汉中、后期传到日本，至V明朝前后 日本也能制造了，并称之为“魔镜”。但“魔镜”为什么能“透光”，这一问题 在欧洲科学界整整争论了一个世纪却仍未找到答案。最早揭开“魔镜”之谜的是 北宋科学家沈括，在他的理 论指导

6、下，复旦大学和上海博物馆的研究人员终于在 1975年复制岀具有“透光”性能的铜镜，使此失传的技艺重放光彩。 对于透光镜能够反射背面花纹的原因，沈括认为：“文虽在背，而鉴 面隐然有迹”，这是说在镜的正面也有一幅与背面花纹相对应的图案，只 是此图案痕迹太细微，人眼不能辨识罢了。但当光反射在屏上时由于光程 变大， 长光程的放大效应就会在幕上显示出镜面的图案。是什么原因使得“鉴面隐然有 迹”呢？沈括认为是铸镜时冷却速度的不同所致：“世有透 光鉴原其理，以为铸时薄处先冷，唯背文差厚，后冷而铜缩多，文虽在背， 而鉴面隐然有迹，所以于光中现。”其意思是铜镜的厚度并非均匀，铸造时有铭 文图案的地方较厚，冷却得

7、慢，收缩程度大；无铭文图案的地 方较薄，冷却得 快，收缩程度小。这种收缩率的差异就造成了 “鉴面隐然 有迹”。从而揭开了 “透光镜”的奥秘。 五、赵友钦的光学实验 宋末元初的赵友钦通过大型针孔实验，即论证了光的直进性，又说明了光 源大小、强度与针孔的大小、距离，以及像的大小、亮度之间的关系。 实验装置赵在楼下两个相邻房间地面各挖一圆形(直径4尺)旱井，左井深八尺右 井深四尺，左井内放一高四尺的桌子，将两个直径四尺的圆板密插1000支点燃 的蜡烛后放在桌上和地上作为光源，再在井口加盖其中心开孔的板，以楼上顶板 为屏，如图3所示。 屏 g3 实验步骤(1)令光源、小孔、像屏距离不变，使两孔的大小不

8、同，孔大者像明亮， 孔小者像暗淡，“其窍宽者所容之光较多，乃千景皆狭而迭砌稠 密，所以浓；窍 窄者所容之光较少，乃千景皆狭而迭砌稀薄，所以淡。”形象地说明了 “景”的 照度与孔径的关系。 (2) 改变光源形状，像的形状也发生变化。例如将有井千烛光中的东边 500支吹灭，楼板上的像在两边则变暗，这是“小景随日月亏食”的模 拟实验。 (3) 改变孔的大小和形状。孔小时，所成像和光源的形状相同；孔大 时， 所成像与孔的形状相同而与光源形状无关。 (4) 改变像距和物距。仅改变像距时，像的大小、照度随像距的变化 而变 化；像距小时成像小而照度大，像距大时成像大而照度小。 现把赵友钦的实验结果列表说明如下： 赵友钦继承了墨家学派不尚空谈、注重实践的科学精神，运用对比实 验以及 定量推理的方法，取得了效果明显、设计巧妙、说服力强的成就，不仅在