我国古代的光学成就

成都信息工程学院工程光学基础实践论文论题：作者：专业：学号：指导教师：完成日期：2014年6月8日我国古代的光学成就摘要中国古代的光学是被公认为古代物理学发展较好的学科之一；它的最早历史可追溯到战国初期的墨翟、东汉王充、宋代沈括、元代赵友钦等都在光学上做出了重要成就。阳隧的制造、影的形成、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等，远早于世界其他国家。由于古代玻璃制造业不发达，几何知识缺乏，因此，光反射和折射知识甚为薄弱。但是，由于炼丹家和对玻璃与晶体的兴趣，因而在有关透镜方面的知识、晶体分光和颜色的知识则远走在世界前列。关键词：古代光学、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜、晶体分光。正文1、对光源的认识光和镜是古代光学实验的物质基础，古代人对太阳光的认识和利用，各种灯具的制造、燃料的演变和热光源效率的提高，各种冷光源的发现和利用，使他们在光学上获得了许多成就。人类的生活离不开太阳，远古人已产生太阳崇拜的观念；从早在公元前6000年的河姆渡遗址出土的文物看，太阳被刻画在陶器、玉器和象牙上。从浙江余杭、安溪出土的良港文化玉壁，壁心的绘画外形颇似一座祭坛，内部为一太阳的形象符号，上端作冠冕状，两侧似有翅膀；这是神化了的太阳。在人类生活的地球上，日与月是明亮的象征，“明”字就是由它们二者构成的，文字的构造反映了人们已认识到大地的光照与太阳的关系。太阳光是人类最重要的自然光源，也是古代人进行光学实验或光学表演的重要光源。西周初期，阳隧的铸造与利用，是人类利用阳光点火的伟大发明之一。据《韩非子·外储说左上》载，战国时期某画家在一片豆荚内膜上作精细图画，然后“筑十板之墙，凿八尺（分）之瞩，而以日出之时，加之其上而观”。可见，古代人掌握了利用日光进行光学实验的方法。火的创造与利用对于人类文明史上的一次革命；距今八九十万年的前陕西蓝田人就学会用火和保存火。六盘山余脉有几处新石器时代的窑洞，洞壁上有50多处火苗状烧土，证明这些烧土就是古人用灯的遗迹。甲骨文中“光”字的造型“从火，在人上”，是人高举火炬之意。可见，“光”字与早期火焰光源是一致的。古代有所谓“神农作油，轩辕作灯，唐尧作灯集、成汤作；蜡烛”的记载。在这里，有关发明者的说法不一定正确，但它多少反映了上古时代人造光源的发展历程。2、小孔成像以墨翟为首的墨家、沈括、赵友钦和郑复光等人都作过小孔成像实验。这使他们不仅掌握了有关知识，而且懂得了光的直线行进的性质。《经下》：“景到，在午有端与景长，说在端。”《经说下》：“景光之人煦若射。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。在远近有端与于光，故景库内也。”文中大意是，在小孔暗匣里所成的像是倒像。光线相交午而过小孔；小孔与匣内屏的距离，小孔与物（或人）的距离是与像的大小变化相关的，而且孔愈小，像愈晰，（如图6-3）。故云“景到，在午有端与景长，说在端。”《经说下》文作了进一步解释和补充。光线照人就像射箭一样笔直飞快，所谓“光之人煦若射”。光发自下B者，经孔O而向高处，成OB′；发自上A者之光，经孔O而向低处，成OA′。故云“下者之人也高，高者之人也下。”人或物AB在匣内成倒像，即B′A′，故云“景库内”。3、反射镜成像从原始社会起，美的观念曾促使人们梳妆打扮，就借助于池沼湖泊的平静水面寻影。陶器出现之后，就有了“水监”。只要在陶盆里盛水，它就成为一面相当好的水镜。人们清楚，只有静止的水面才能当镜使用。“水静则平，平则清，清则见物之形弗能匿也。”甲骨文中的“监”字造型，就是一个人对盆水寻影，它是最早的“镜”字。无论平面或球面镜，都遵循这个反射定律。就反射光线的光路而言，古代人对此已有所认识。《墨经》指出“景迎日，说在转”，其中“转”字表现墨家知道反射光的光路发生了方向性改变。古代中国人对各种镜面成像现象作了许多探讨，取得了古代西方人所未及的成就。《墨经·经下》：“临鉴而立，景倒。多而若少，说在寡区。”《墨经·经说下》：“临正鉴，景寡，貌态、黑白、远近、杝正、异于光。鉴景，就当俱，去亦当俱，俱用北。鉴者之臭，于鉴无所不鉴，景之臭无数，而必过正，故其同处其体，俱然鉴分。”钱临照解释如下：其中，“临鉴”的“鉴”是指以静水为镜；或将镜子平置地面，犹如照水镜，故“景倒”。《说》中的“正鉴”指平面镜；“异于光”的“光”是指阴影，而不是平面镜的虚像。平面镜成像时，鉴者近镜，像亦近镜；鉴者远镜，像也远镜，故曰：“鉴景，就当俱，去亦当俱。”这是说，平面镜只有一个不变的像。这像的形状、颜色、远近、斜直程度都跟阴影不一样。人走近镜子，像也走近；人离开镜子，像也离开：人与像的方向老是相反。可见，墨家最早提出镜面对称的物理认识。虽然不能肯定《墨经》是否讨论过复镜或组合平面镜，但至晚从汉代开始，人们对组合平面镜已有相当的认识，而且作出了独特的创造。早在汉代人们已创造了开管式潜望镜。西汉初期，淮南王刘安所撰《淮南万毕术》写道：“高悬大镜，坐见四邻。”高诱注曰：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣”。这就是由一枚铜镜、一为水镜组成的开管式潜望镜，它是近代潜望镜的始祖。这条记载表明，汉代人在追求一种纯物理实验的理想，其科学史价值是不言而喻的。4、透镜成像4、1点火透镜和冰透镜点火透镜最早见于《管子·侈靡》中的记载。它说：“珠者阴之阳也，故胜火”。“珠”是指产于山岸流水之中的水晶珠，相当于凸透镜。汉晋时期，中国人已有透镜折射知识，发现了透镜聚焦点火的功能。西晋张华在《博物志》中写道：“取火法，如用珠取火，多有说者，此未试。”唐代王秦《外台秘要》在述及炙火“用阳隧之火”中说：“阳隧是以火珠向日下，以艾于下承之，便得火也”。可见，汉唐时期有将“火珠”称之为“阳隧”的，大概起因于它们都能聚焦起火的缘故。明代、方以智在其著《物理小识》中引用其座师杨用宾所言，指出透镜光路变化：“凹者光交在前，凸者光交在后。”凹透镜是发散透镜，因而光线相交于镜前，其相交处即是虚焦点；凸透镜是会聚透镜，因而光线相交于镜后，其相交处为焦点，在此可以点火引燃。这知识可能是受西来传教士的启发后、杨用宾自己悟彻的道理。早在汉代人们就发明了冰透镜并用它点火；这是中国独特的光学成就之一。《淮南万毕术》写道：“削冷令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”对如何制造无气眼的冰透镜，清代郑复光在对其进行实验研究之后，特别指出了一种简易、巧妙的方法：将盛有热水的金属水壶底置冰块上旋转几回，冰透镜立即制成。因为水壶外底往往是凹形的，则受热而化开的冰块就成凸形了。在西方，直到17世纪，英国物理学家胡克才制造出冰透镜。4、2放大镜和复合透镜放大镜，实质上就是一个凸透镜。当物体放在凸透镜的焦点之内时，就可以看到一个放大的正立的虚像。宋代杜绍在《云林石谱》卷上《英石》中曾发现天然石英“面面有光可鉴物”。同时，人们发现了放大镜的制造与使用方法；唐代王倚笔管，是放大镜在微雕工艺中的运用，放大镜至晚在11世纪已被广为使用。北宋晚期刘肢（？～1117年）在《暇日记》中记载，只要将小小一片水晶凸透镜放在极靠近案读文件之处，将文件置阳光下或光线稍好的地方，就可以鉴别不清晰的文字。古人曾设计了诸如“鲫鱼杯”、“蝴蝶杯”等稀罕之物。宋代《春渚纪闻》中有“鲫鱼杯”的记载，这是一个古玛瑙酒杯，杯中贮水（或酒）后，即可见其内“有一鲫，长寸许，游泳可爱”。水倒出，“鱼不复见。复酌水酒中，须臾一鱼泛然而起。以手取之，终无形体可拘”。宋代的《真率笔记》中也记载了类似的“青华酒杯”：“酌酒辄有异香在内，或有桂花或梅或兰，视之宛然，取之若影，酒干亦不见矣。”中国传统剧目“蝴蝶杯”，描述的是明代故事，其中的蝴蝶杯也有此奇异效果，只要斟酒人杯，杯中就有蝴蝶翩翩起舞，酒干，蝴蝶则随之隐去。这些酒杯的奇特之处，实际上源于复合透镜的成像原理。总结中国古代光学至少同希腊光学一样早。以墨翟为首的墨家举起烛炬与镜进行光学实验的时间是在公元前5至前4世纪之间。在整个汉代，光学得到一次发展，人们初步掌握了某些凸透镜的知识。晋代张华是汉代光学知识的继承者。入唐以后，由于道家对玻璃制造的研究，致使谭峭等道士成为古代世界中涉猎最多透镜的学者。沈括是宋代推进光学发展的代表人物，他不仅研究过各种镜、影和光的色散问题，而且是尝试提出光学理论即格术的学者。明清时代，传统光学趋于衰落。但方以智对传统光学以笔记和分类叙述的形式作了总结和发挥，郑复光在点滴西方光学知识影响下，以传统的研究方式对光学作出全面探讨的人。但中国古人对光学的研究，主要用于一般的技艺和消遣，缺乏几何学及其在光学中的应用，这是中国光学发展史上的一大缺陷。参考文献[1]《韩非子·外储说左上》[2]《淮南子·说山训》[3]《考工记·五人》[4]《墨经》[5]百度文库