1、我國古代的光學成就我國古代光學以其輝煌成就震驚了世界科學界，也給我們留下深刻的啟迪。一、光的直進性和小孔成像春秋戰國時期，墨家學派所著墨經的經下18條記載了世界上最早的針孔成像實驗：“景到（倒），在午有端，與景長，說在端”、此處“景”即影或像，“到”即倒，“午”指遮光屏，“端”即小孔。這句話的意思是，物體的影或像所以倒轉，是由于屏上有一點狀小孔，入射光線在孔中相交的緣故。墨經的經說還就倒像的形成機理作了說明：“景：光這人，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。”意思是說光照人，人體反射后如同箭一樣直進，通過針孔在屏幕上見到的人之下部在高處，人的上

2、部在低處，其原因在于：發自足部的光線被遮去了下面部分，所以成影在上；發自頭部的光線被遮去了上面部分，所以成影在下，如圖1所示。宋元之交的趙友欽也研究過小孔成像，因其方法論意義而放在后面專門介紹。二、平面鏡反射及成像墨家學派在其所著墨經中首先研究了光的反射。經說：“景：日之光，反燭人，則景在日與人之間”。通常日光照人之影在來光方向的另一側，但若日光經平面鏡反射之后再照人體，則影落在太陽與人體之間了。這是一個演示光線反射的絕好實驗，如圖2所示。墨經還研究了平面鏡成像。經下21條：“臨鑒而立景倒。”這里的“鑒”指平面銅鏡，意思是說人若俯臨鏡子立著（平面鏡水平放置），則所成之像是頭部朝下顛倒的。墨經還

3、描述了平面鏡成像種種，指出像的形狀、顏色、遠近以及正倒都與物體相對稱；也指出若物體移動像亦移動，物體距鏡面近了像也隨之變近，反之亦然。三、球面鏡成像墨家學派在所著墨經中記錄了凹面鏡成像的兩種情況。經下22條：“鑒洼，景一小而易，一大而正，說在中之外、內”。此處“洼”即“凹”，“鑒洼”即凹面鏡，“中”是指球面中心與焦點之間的區域。這句話是說：凹面鏡成像，一種情況是縮小而倒立，一種情況是放大而正立，這是由于物處于“中”的外、內的不同而造成的。這一條是墨家實驗者從遠處走近凹面鏡時所觀察成像情況的真實記錄吧。經下23條記述了凸面鏡成像的實驗：“鑒團，景一，說在刑之大。”經說：“鑒者近，則所鑒大，景亦大

4、；其遠，所鑒小，景亦小；而必正”是說凸面鏡成像僅有一種情況：物體放在鏡前無論距離遠所，都在鏡后生成正立縮小的虛像。但像的縮小尺度卻與物體的位置有關，物體靠近鏡時像相對大些，遠離鏡時像就小些，但都是正立像。對幾何光學曾有過許多杰出貢獻的北宋科學家沈括，也做過凹面鏡實驗：“陽燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠則無所見，過此遂倒。”意思是說，當物（手指）在鏡面與焦點之間時成正像，在焦點時無像，在焦點以外時成倒像。應特別指出的是，沈括發現有一個“無所見”（成像在無限遠）的物體位置（焦點），并指出這一位置是正、倒像的分界點。這些都是墨家所不及的。四、制鏡技術及其理論研究在齊家文化遺址出土的圓形銅鏡是距今四

5、千年的史前產物，夏、商、西周，銅制平面鏡更是大量制造，并由平面鏡發展為球面鏡，這些，為春秋戰國時期的光學研究奠定了物質基礎。制鏡技術的發展，誕生了登峰造極之作西漢的“透光鏡”。這是一種青銅鑄造的面鏡，能通過光線反射使屏幕上映出銅鏡背面鑄造的圖案文字。透光鏡及其制作方法于西漢中、后期傳到日本，到明朝前后日本也能制造了，并稱之為“魔鏡”。但“魔鏡”為什么能“透光”，這一問題在歐洲科學界整整爭論了一個世紀卻仍未找到答案。最早揭開“魔鏡”之謎的是北宋科學家沈括，在他的理論指導下，復旦大學和上海博物館的研究人員終于在1975年復制出具有“透光”性能的銅鏡，使此失傳的技藝重放光彩。對于透光鏡能夠反射背面花

6、紋的原因，沈括認為：“文雖在背，而鑒面隱然有跡”，這是說在鏡的正面也有一幅與背面花紋相對應的圖案，只是此圖案痕跡太細微，人眼不能辨識罷了。但當光反射在屏上時由于光程變大，長光程的放大效應就會在幕上顯示出鏡面的圖案。是什么原因使得“鑒面隱然有跡”呢？沈括認為是鑄鏡時冷卻速度的不同所致：“世有透光鑒原其理，以為鑄時薄處先冷，唯背文差厚，后冷而銅縮多，文雖在背，而鑒面隱然有跡，所以于光中現。”其意思是銅鏡的厚度并非均勻，鑄造時有銘文圖案的地方較厚，冷卻得慢，收縮程度大；無銘文圖案的地方較薄，冷卻得快，收縮程度小。這種收縮率的差異就造成了“鑒面隱然有跡”。從而揭開了“透光鏡”的奧秘。五、趙友欽的光學實

7、驗宋末元初的趙友欽通過大型針孔實驗，即論證了光的直進性，又說明了光源大小、強度與針孔的大小、距離，以及像的大小、亮度之間的關系。實驗裝置 趙在樓下兩個相鄰房間地面各挖一圓形（直徑4尺）旱井，左井深八尺右井深四尺，左井內放一高四尺的桌子，將兩個直徑四尺的圓板密插1000支點燃的蠟燭后放在桌上和地上作為光源，再在井口加蓋其中心開孔的板，以樓上頂板為屏，如圖3所示。實驗步驟 (1)令光源、小孔、像屏距離不變，使兩孔的大小不同，孔大者像明亮，孔小者像暗淡，“其竅寬者所容之光較多，乃千景皆狹而迭砌稠密，所以濃；竅窄者所容之光較少，乃千景皆狹而迭砌稀薄，所以淡。”形象地說明了“景”的照度與孔徑的關系。(2)改變光源形狀，像的形狀也發生變化。例如將有井千燭光中的東邊500支吹滅，樓板上的像在兩邊則變暗，這是“小景隨日月虧食”的模擬實驗。(3)改變孔的大小和形狀。孔小時，所成像和光源的形狀相同；孔大時，所成像與孔的形狀相同而與光源形狀無關。(4)改變像距和物距。僅改變像距時，像的大小、照度隨像距的變化而變化；像距小時成像小而照度大，像距大時成像大而照