文档介绍：波粒二象现光明──光学的故事
古代光学知识
远在三千年前的殷周时期,我面镜。人们将凹面
镜称为阳燧,用它会聚太阳光取火;用平面镜照人照物,以观其相。在《考
工记》中,还曾记载当时人们通过观察火焰颜色判断铜的冶炼进程等等。
春秋战国时期,在诸子百家争鸣中,光学得到了较快的发展。墨翟及其
弟子们的著作《墨经》中,记载了大量的光学知识。书中写道:“光之煦人
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。”就是说,光照在人身上如同射来的箭一样,是沿直线进行的;
光通过小孔将人成像,人的上部成像在下,人的下部成像在上,其结果将人
成倒立实像。
《墨经》中还有关于影的记述:“景不徙,说在改为”;“光至景亡;
若在,尽古息。”就是说,在某时刻,运动物体的影子是静止的,若人们观
察到影子的移动,则是由于物体运动导致的;光若照到了,影子就没有了;
观察到的影子的移动,是旧影不断消失,新影不断产生造成的。书中还说:
“景二,说在重”;“二光,夹;一光,一。光者,景也。”就是说,一个
物体有两个影子,是由于该物体受到了双重光源照射所致。当两个光源照射
一个物体时,会有两个半影夹持一个本影;当一个光源照到一个物体时,该
物体的影子只有一个;影子的形成是由于光被物体挡住,被挡之处即为物体
的影区。
关于凹面镜成像,《墨经》中写道:“鉴洼,景,一小而易,一大而正,
说在中之外内”。指明了实物在球心之外时,其像为倒立缩小(实)像,实
物在球心之内时,能得正立放大(虚)像。前者是正确的。后者是不严格的,
因为实物只有在焦点之内时,凹面镜才能将它成正立放大(虚)像,位置划
分在焦点而不在球心。关于凸面镜,书中写道:“鉴团,景一”;“景过正,
估短”。说明了凸面镜成像规律,即实物体无论在何处,像只有一个,其位
置在镜面之后,且像较原物体为小。这与我们现在所说的凸面镜将实物永远
成正立缩小虚像,且物像分居镜面两侧的结论完全一致。关于平面镜,书中
说:“临鉴而立,景倒”;“正鉴,景寡。⋯⋯鉴、景、当俱就;去亦当俱,
俱用背”。具体指明了,人站在镜面上,其像为倒立;平面镜,对一个物体
只能成一个像;当人靠近平面镜时,其像随之靠近;人离开平面镜时,其像
也随之离开。这些结论都是正确的。
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。书中还写道:“古人铸鉴,鉴大则平;鉴小则凸。凡鉴洼则照人
面大,凸则照人面小。小则不能全观人面,故令微凸,收人面令小,则鉴虽
小而能纳人面。”这里着重指出了凸面镜有扩大视场的作用。沈括在该书中
还指明:“阳燧面洼,以一指迫而照之则正,渐远则无所见,过此遂倒。”
这里的“此”,即是我们现在所说的焦点,沈括当时称之为“碍”。这段话
的含义是,(实)物在焦点之内时,成正立(放大虚)像,逐渐增大物距,
当(实)物恰好位于焦点时,人眼无所见;(实)物位于焦点之外时,则得
倒立的实像。
沈括的《梦溪笔谈》中所记载的光学实验,面镜成像规律及光学理论都
较《墨经》前进了一大步,这是中华民族在发展光学科学中的光辉篇章。沈
括在光学方面的贡献,足以使他跻身于当时的世界科学家之列。
公元前世纪,古希腊的科学家欧几里德著有《反射光学》一书,书中
明确地提出了光的直进性,比较深入地探讨了光的反射现象,并用几何学方
法表达了光的反射定律。该书还论述了凹面镜焦点的概念,欧几里德是世界
上最早提出光的反射定律的人。
希腊人精心地推敲过视觉产生的理论。毕达哥拉斯、德谟克利特等人认
为,视觉是由所见的物体发射出的微粒进入人眼的瞳孔所引起的。显然,这
种观点是唯物主义的。然而,恩培多克勒、柏拉图主义者们,以及欧几里德
却主张奇怪的眼睛发射说,这个学说认为,眼睛发出某种类似触须的东西,
一旦这些东西碰到物体,物体就被眼睛看见。这个观点不是把眼睛看成“照
相机”,而是看成“雷达”,显然,它是错误的。
古罗马帝国早期,著名科学家克罗狄乌斯·托勒密继承并总结了古希腊
的光学知识成果,经过自己的研究和实验,于公元年写下了《光学》一
书,书中写道:“可见光可以有两种方式改变路径:一是被反射,即被物体
反弹回来,这种物体称为镜子,光线不能穿透;一是在介质中被弯曲(即折
射),这时光线能穿透介质,这种