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中国古代光学
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早在史前时代 ,人类在日月轮转与钻石取火过程中学会并总结了大量的光学知识 ,圭表是人类最早创造并使用的光学仪器,由圭和表两部分组成。中国西周丞相周公旦(公元前约1105年)在河南登封县设置了世界上最早的计时器圭表。人们可以从太阳照射圭的影子对照表上的刻度来计时了。

约在公元前400多年(先秦年代) ,中国的《墨经》中就记载了世界上最早的光学知识。 它有8条关于光学的记载 ,它们依次是 :影子生成的道理 ;光线与影的关系 ;光线直线行进实验 ;光的反射特性 ;从物体与光源的相对位置关系确定影子大小 ;平面镜的反射现象 ;凹面镜的反射现象 ;凸面镜的反射现象。 在这些叙述中 ,说明了影的定义和生成 ,光的直线传播性和针孔成像 ,并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。 《墨经》是人类最早的光学书籍 ,是我们中华民族的祖先对人类早期文明的巨大贡献。

圭表——人类最早的光学仪器

投影计时仪器——日晷 

取火的方法和对火的认识
  我国古代取火的工具称为“燧”,有金燧、木燧之分。金燧取火于日,木燧取火于木。根据我国古籍的记载,古代常用“夫燧”、“阳燧”(实际上是一种凹面镜,因用金属制成,所以统称为“金燧”)来取火。古代人们在行军或打猎时,总是随身带有取火器,《礼记》中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的记载,表明晴天时用金燧取火,阴天时用木燧取火。阳燧取火是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。讲到取火,古代还用自制的古透镜来取火的。公元前2世纪,就有人用冰作透镜,会聚太阳光取火。《问经堂丛书》、《淮南万毕术》中就有这样的记载:“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生。”我们常说,水火不兼容,但制成冰透镜来取火,真是一个奇妙的创造。用冰制成透镜是无法长期保存的,于是便出现用玻璃或玻璃来制造透镜。

针孔成像和影的认识
  公元前4世纪,墨家就做过针孔成像的实验,并给予分析和解释。《墨经》中明确地写道:“景到(倒),在午有端,与景长,说在端。”这里的“午”即小孔所在处。这段文字表明小孔成的是倒像,其原因是在小孔处光线交叉的地方有一点(“端”),成像的大小,与这交点的位置无关。从这里也可以清楚看到,古人已经认识到光是直线行进的,所以常用“射”来描述光线径直向前。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中也记述了光的直线传播和小孔成像的实验。他首先直接观察在空中飞动,地面上的影子也跟着移动,移动的方向与飞的方向一致。然后在纸窗上开一小孔,使窗外飞的影子呈现在窒内的纸屏上,沉括用光的直进的道理来解释所观察到的结果:“东则影西,西则影东”。墨家利用光的直线传播这一性质,讨论了光源、物体、投影三者的关系。《墨经》中写道:“景不徙,说在改为。”“光至,景亡。若在,尽古息。”说明影是不动的,如果影移,那是光源或物体发生移动,使原影不断消逝,新影不断生成的缘故。投影的地方,如果光一照,影子就会消失,如果影子存在,表明物体不动,只要物体不动,影子就始终存在于原处。墨家对本影、半影也作了解释。《墨经》中有这样的记载:“景二,说在重。”“景二,光夹。一,光一。光者,景也。”意思是一物有两种投影(本影、半影),说明它同时受到两个光源重复照射的结果(“说在者”,“光夹”)、一种投影,说明它只受一个光源照射,并且强调了光源与投影的联系(“光者,景也”)。与此相连,墨家还根据物和光源相对位置的变化,以及物与光源本身大小的不同来讨论影的大小及其变化。

 

 

宋代的赵友钦在他的著作《革象新书》的“小罅光景”中得出如下的结论:“是故小景随光之形,大景随空之像,断无可疑者。”也就是说,小孔成像时生成的像与光源的形状相同,在大孔的情况下所成的像(光斑)与大孔的形状相似,这个结论无可怀疑。赵友钦的实验构思巧妙,规模宏大,在当时世界上实属首创,因此有人称赞他是13世纪卓越的实验物理学家。

对面镜的认识
  墨子对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究,已发现了凹面镜焦点的存在。如墨家对凹面镜作了深入的观察和研究,并在《墨经》中作了明确、详细的记载。“鉴低,景一小而易,一大而正,说在中之外、内。”“低”表示深、凹之意;放在“中之内”,得到的像是比物体大而正立的。虽然他尚把球心和焦点混淆在一起,但这些实验是世界上最早的光学实验,具有重大的科学意义。李约瑟曾把墨子光学与古希腊光学进行比较,指出墨子的光学研究“比我们任何所知的希腊为早”,“印度亦不能比拟”。

北宋沈括对凹面镜的焦距作了测定。他用手指置于凹面镜前,观察成像情况,发现随着手指与镜面距离的远近变化,像也发生相应的变化。在《梦溪笔谈》中作了记载:“阳燧面洼,以一指迫而照之则正,渐远则无所见,过此遂倒。”说明手指靠近凹面镜时,像的正立的,渐渐远移至某一处(在焦点附近),则“无所见”,表示没有像(像成在无穷远处);移过这段距离,像就倒立了。这一实验,既表述了凹面镜成像原理,同时也是测定凹面镜焦距的一种粗略方法。

墨家对凸透镜也进行了研究。《墨经》中写道:“鉴团,景一。说在刑之大。”“鉴团”即凹面镜,也称团镜。“景一”表明凸面镜成像只有一种。“刑”同形字,指物体,它总比像大。我们的祖先,利用平面镜能反射光线的特性,将多个平面镜组合起来,取得了有趣的结果。如《庄子·天下篇》的有关注解《庄子补正》中对此作了记载:“鉴以鉴影,而鉴以有影,两鉴相鉴,则重影无穷。”这样的装置,收到了“照花前后镜,花花交相映”的效果。《间经堂丛书》、《淮南万毕术》中记有“取大镜高悬,置水盆于其下,则见四邻矣。”表明很早就有人制作了最早的开管式“潜望镜”,能够隔墙观望户外的景物。

此外,汉代发明的透光镜,能够反射出铜镜背面的精美图像,是中国古代光学的一大发明,现在仍引起中外学者的关注。

上海博物馆收藏的三面西汉透光镜

对虹的认识
  虹是一种大气光学现象,从公元6世纪开始,我国古代对虹就有了比较正确的认识。唐初的孔颖达(574-648)曾概括了虹的成因,他认为“若云薄漏日,日照雨滴则虹生。”明确指出产生虹的3个条件,即云、日、“日照雨滴”。沉括对此也作过细致的研究,并作实地考察。在《梦溪笔谈选注》中写道:“是时新雨霁,见虹下帐前涧中。”予与同职扣涧观之,虹两头皆垂涧中。使人过涧,隔虹对立,相去数丈,中间如隔绡觳,自西望东则见;盖夕虹也。立涧之东西望,则为日所铄,都无所睹。”指出虹和太阳的位置正好是相对的,傍晚的虹见于东方,而对着太阳是看不见虹的。地虹有了认识之后,便可以人工造虹。8世纪中叶,唐代曾有过这样的试验:“背日喷呼水成虹霓之状”,表示背向太阳喷出小水珠,便能看到类似虹霓的情景。

对月亮及月光的认识

自春秋战国之后,我国的光学发展成就集大成于北宋时期,大科学家沈括的《梦溪笔谈》之中,书中进一步肯定了月光是由于太阳照射而生,坚持了“月本无光”,“日耀之乃光耳”的科学见解;沈括使“一弹丸,以粉涂其半,侧视之,则粉处如钩;对视之,则正圆。”他通过实验演示了月亮的盈亏现象。 

 
     
 
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