我国古代的光学成就

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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。一、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。……”

2、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，因其方法论意义而放在后面专门介绍。二、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。

3、《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，指出像的形状、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。三、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

4、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，

5、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、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——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

6、案文字。透光镜及其制作方法于西汉中、后期传到日本，到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，在他的理论指导下，复旦大学和上海博物馆的研究人员终于在1975年复制出具有“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

7、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

8、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