古代光學知識
遠在三千年前的殷周時期,我國就磨製出凹麵鏡與平麵鏡。人們將凹麵鏡稱為陽燧,用它會聚太陽光取火;用平麵鏡照人照物,以觀其相。在《考工記》中,還曾記載當時人們通過觀察火焰顏色判斷銅的冶煉進程等等。
春秋戰國時期,在諸子百家爭鳴中,光學得到了較快的發展。墨翟及其弟子們的著作《墨經》中,記載了大量的光學知識。書中寫道:“光之煦人若射。下者之人也高,高者之人也下。足蔽下光,故成景於上,首蔽上光,故成景於下。”就是說,光照在人身上如同射來的箭一樣,是沿直線進行的;光通過小孔將人成像,人的上部成像在下,人的下部成像在上,其結果將人成倒立實像。
《墨經》中還有關於影的記述:“景不徙,說在改為”;“光至景亡;若在,盡古息。”就是說,在某時刻,運動物體的影子是靜止的,若人們觀察到影子的移動,則是由於物體運動導致的;光若照到了,影子就沒有了;觀察到的影子的移動,是舊影不斷消失,新影不斷產生造成的。書中還說:“景二,說在重”;“二光,夾;一光,一。光者,景也。”就是說,一個物體有兩個影子,是由於該物體受到了雙重光源照射所致。當兩個光源照射一個物體時,會有兩個半影夾持一個本影;當一個光源照到一個物體時,該物體的影子隻有一個;影子的形成是由於光被物體擋住,被擋之處即為物體的影區。
關於凹麵鏡成像,《墨經》中寫道:“鑒窪,景,一小而易,一大而正,說在中之外內”。指明了實物在球心之外時,其像為倒立縮小(實)像,實物在球心之內時,能得正立放大(虛)像。前者是正確的。後者是不嚴格的,因為實物隻有在焦點之內時,凹麵鏡才能將它成正立放大(虛)像,位置劃分在焦點而不在球心。關於凸麵鏡,書中寫道:“鑒團,景一”;“景過正,估短”。說明了凸麵鏡成像規律,即實物體無論在何處,像隻有一個,其位置在鏡麵之後,且像較原物體為小。這與我們現在所說的凸麵鏡將實物永遠成正立縮小虛像,且物像分居鏡麵兩側的結論完全一致。關於平麵鏡,書中說:“臨鑒而立,景倒”;“正鑒,景寡。……鑒、景、當俱就;去亦當俱,俱用背”。具體指明了,人站在鏡麵上,其像為倒立;平麵鏡,對一個物體隻能成一個像;當人靠近平麵鏡時,其像隨之靠近;人離開平麵鏡時,其像也隨之離開。這些結論都是正確的。
自春秋戰國之後,我國的光學發展成就集大成於北宋時期,大科學家沈括的《夢溪筆談》之中,書中進一步肯定了月光是由於太陽照射而生,堅持了“月本無光”,“日耀之乃光耳”的科學見解;沈括使“一彈丸,以粉塗其半,側視之,則粉處如鉤;對視之,則正圓。”他通過實驗演示了月亮的盈虧現象。書中還寫道:“古人鑄鑒,鑒大則平;鑒小則凸。凡鑒窪則照人麵大,凸則照人麵小。小則不能全觀人麵,故令微凸,收人麵令小,則鑒雖小而能納人麵。”這裏著重指出了凸麵鏡有擴大視場的作用。沈括在該書中還指明:“陽燧麵窪,以一指迫而照之則正,漸遠則無所見,過此遂倒。”這裏的“此”,即是我們現在所說的焦點,沈括當時稱之為“礙”。這段話的含義是,(實)物在焦點之內時,成正立(放大虛)像,逐漸增大物距,當(實)物恰好位於焦點時,人眼無所見;(實)物位於焦點之外時,則得倒立的實像。