光的发展史.docx

光学既是物理学中最古老的一个基础学科， 又是当前科学研究中最活跃的前沿阵地， 具 有强大 的生命力和不可估量的前途 光学的发展过程是人类认识客观世界的进程中一个重要 的组成部分， 是不断揭露矛盾、 克服矛盾， 从不完全和不确切的认识逐步走向较完善和较确 切认识的过 光的直线 传播程它的不少规律和理论是直接从生产实践中总结出来的，有相当多的发现来自长期的 系统的科 学实验 因此， 生产实践和科学实验是光学发展的源泉 光学的发展为生产技术提 供了许多精密、 快速、生动的实验手段和重要的理论依据；而生产技术的发展，又反过来不 断向光学提出许多要求解 决的新课题， 并为进一步深入研究光学准备了物质条件 光学的发 展大致可换分为 5 个时期：一、 萌芽时期；二、几何光学时期；三、波动光学时期；四、量 子光学时期；五、现代光学时期编辑本 段萌芽时期 中国古代对光的认识是和生产、生 活实践紧密相连的 它起源于火的获得和光源的利 用， 以光学器具的发明、 制造及应用为前 提条件根据籍记载， 中国古代对光的认识大多集中在光 的直线传播、 光的反射、大气光学、 成像理论等多个方面 1、对光的直线传播的认识 早在春秋战 国时《墨经》已记载了 小孔成像的实验： “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 ,, ” 。

指出小孔成倒像的根本原因是光的 “煦若射”，以“射” 来比喻光线 径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确 宋代，沈括在《梦溪笔谈》中描 写了他做过的一个实 验，在纸窗上 中国古代铜镜 开一个小孔，使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现： “若鸢飞空中，其影 随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如 窗隙中楼塔 之影，中间为窗所束，亦皆倒垂” 进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而 形 成倒像 2 、对视觉和颜色的认识 对视觉在《墨经》中已有记载： “目以火见” 已明 确表示人眼依赖光照才能看见东西稍后的《吕氏春秋任数篇》明确地指出： “目之见也 借于昭”《礼记仲尼燕居》中也记载： “譬如终夜有求于幽室之中，非烛何见 ？ ”东汉《潜 夫论》中更进一步明确指出： “夫目之视，非能有光也，必因乎日月火炎而后光存焉” 以上 记载 均明确指出人眼能看到东西的条件必须是光照， 尤其值得注意的是认为： 光不是从眼睛 里发出来 的，而是从日、月、火焰等光源产生的这种对视觉的认识是朴素、明确、比较深 刻的 颜色问 题，在中国古代很少从科学角度加以探索，而着重于文化礼节和应用。

早在石器时代的彩陶就已有多种颜色工艺 《诗经》里就出现了数十种不同颜色的记载周 代把颜色 分为“正色”和“间色”两类，其中“正色”是指“青、赤、黄、白、黑五色” 间色”则由不同的“正色”以不同的比例混合而成 战国时期《孙子兵法势篇》更指出： “色 不过五，五色之变不可胜观也” 可见这“正色”和“间色”的说法，与现代光学中的 “三原色”理 论很类似，但缺乏实验基础清初博明对颜色提出”五色相宣之理，以相反而 相成如白之与黑，朱 之与绿，黄之与蓝，乃天地间自然之对，待深则俱深，浅则俱浅相 杂而间，色生矣” （ 《西斋偶得 三种》 ）这里孕育了互补色的初步概念，虽未形成一定的颜 色理论， 但从半经验半思辨的角度看 也实在是难能可贵的 3、光的反射和镜的利用 中国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前 2000 年夏初的齐家文化时期已经出现后 来随着技 术的发展， 古镜制作技术逐渐提高， 应用范围逐扩大，种类也逐渐增多， 出现了各 种平面镜、凹面 镜和凸面镜，甚至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜” 1956 1957 年河南陕县上村岭 1052号虢国墓出土过春秋早期的一面阳燧 （凹面镜），它直径 7.5 厘米， 凹面呈银白色，打磨十分光洁，背面中心还有一高鼻纽以便携带，周围是虎、鸟花纹，图 1 是它的 镜背及剖面图。

镜的利用为光的反射的研究创造了良好的条件， 使中国古代对光的反射现象 和成像 规律有较早的认识这方面的记载也较多关于平面镜反射成像， 《墨经》中记载： “景迎日，说在转” 说明人像投在迎向太阳的一边，是因为日光经过镜子的反射而转变了 方向这是对光的反射现象的一种客观描写关于平面镜组合成像， 《庄子天下篇》中记载：“鉴以鉴影， 而鉴以有影，两鉴相鉴重影无穷” 生动地描写了光线在两镜之间彼此往复 反 射，形成许许多多像的情景 《淮南万毕术》记载： “取大镜高悬，置水盆于其下，则见四 邻 矣”其原理和现代的潜望镜很类似对凸面镜成像的规律，在《墨经》中有所叙述： “鉴 团，景 一，说在刑之大” 经说中进一步解释说： “鉴，鉴者近，则所鉴大，景亦大，其远， 所鉴小，景 亦小，而必正” 它说明了凸面镜只成一种像，物体总成一种缩小而正立的像， 对凸面镜成像规律作 了细致描写关于凹面镜， 《墨经》记载： “鉴洼，景一小而易，一大而 正，说在中之外、内” 说明当时已认识到凹面镜有一个“中” （指焦点和球心之间 ）物在“中”之外，得到比物体小而倒立的像，物在“中”之内，得到的 海市蜃楼 是比物体大而正立的像，这种观察是细致而周密的。

《淮南子天文训》记载：“阳燧见日则 燃而为火 '这说明中国古代已认识到凹面镜对光线有聚作用 《梦溪笔谈》 中也有记载：“阳燧，面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒” 此处不仅述了凹面镜成像的 规律，还提出了测凹面镜的焦距的一种粗略方法，发现成正像和倒像之间有个分界点 《梦 溪笔谈》又说： “阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内，离镜一、二寸，光聚为一点，大如麻 菽，着物 则火发，此则腰鼓最细处也” 作者 （沈括 ）把聚光点形容如芝麻和豆粒那么之小， 又把它称作 “碍” ，用“腰鼓最细处”形容地比喻光束的会聚，十分贴切 4、对大气光学现象的探讨 大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的 需要，已建 立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对晕、虹、 海市蜃楼、北极光等 大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见《周礼》中记载有“十煇” ，指的是括“霾”和“虹”等在内的十种大气光学现象到唐代 对它的 认识更加细致、深入 《晋书天文志》中明确指出：“日旁有气，圆而周布，内赤外 青，名日 晕” 此处不仅为晕下了定义，而且把晕按其形态冠以各种形象的名称，如将太阳 上的一小段晕弧叫 做“冠”；太阳左右侧内向的晕弧叫做“抱”等等。

另外在《魏书天象 志》中对晕也有记载除此 以外，在宋朝以后的许多地方志中也记载有大气光象， 还出现了 关于大气光象的专著及图谱，其中《天象灾瑞图解》一直流传至今殷商时期，就出现了有 关虹的象 形文字，对虹的形状和出现的季节、 方位不少书有所记载， 如《礼记月令》指出： “季春之月” 虹始见” ，“孟冬之月”虹藏不见” 东汉蔡邕（ 132 192）在《明堂月令》 中写道：“虹见有青赤之色，常依阴云而昼见于日冲无云不见，太阳亦不见，见辄与日相 互，率以 日西，见于东方 ,, ?这些记载虽然是很粗浅的，经验性的，但它却是关于虹的确 凿记录魏、晋以后，对虹的本质和它的成因逐渐有所探讨，南朝江淹说自己对虹“迫而察 之”，断 定是因为“雨日阴阳之气”而成唐初已认识到虹的成因， ”若云薄漏日，日照雨滴 则虹生”，明确 指出“日照”和“雨滴”是产生虹的条件后来，张志和在《玄真子涛之 灵》中明确指出： “背日 喷乎水， 成虹霓之状 '第一次用实验方法得出人工造虹， 到南宋时，蔡在《毛诗名物解》中，对这一种更有发展： “今以水喷日，自侧视之则晕为虹” 不仅重复 了《玄真了》中的实验方法，而且更进一步指出了观察者所在的位置。

在国外对虹的成因作 出解释的是在 13 世纪， 因此我们对虹成因的正确描述比西方早约 600 年 关于海市蜃 楼，中国古 代也早有记载，如《史记天官书》 ：“蜃气象楼台”《汉书天文志》：“海旁蜃 气楼台”《晋书天文志》：“凡海旁蜃气象楼台， 广野气成宫阙，北夷之气如牛羊群畜穹庐， 南 夷之气类舟船幡旗” 这是对海市蜃楼的如实描写，但当时并不了解其成因和机理到宋 朝苏轼对它 才有较正确的认识，他在《登州海市》中说： “东方云海空复空，群山出没月明 中，荡摇浮进生万象，岂有贝阙藏珠宫” 此处明确地表示海市蜃楼都是幻景，蜃气并不能 成宫殿的 思想到明、清之际，陈霆、方以智等人对海市蜃楼作了进一步探讨，陈霆认为海 市蜃楼的成因是： “为阳焰和地气蒸郁， 偶尔变幻 '方以智认为 “海市或以为蜃气， “非也”张瑶星认为蓬莱岛 上的蜃景是附近庙岛群岛所成的幻景，后来揭暄和游艺画了一幅如图 2 所示的“山城海市蜃气楼台图” ，图上右方是左方楼台的倒影文中记载了登州 （ 即蓬菜 ）海 市，并说：“昔曾见海市中城楼，外植一管，乃本府东关所植者因语以湿气为阳蒸出水上， 竖则对 映， 横则反映， 气盛则明， 气微则隐， 气移则物形渐改耳， 在山为山城， 在海为海市， 言蜃 气，非也。

”这一气“气映”说是对当时海市蜃楼知识的珍贵总结极光是一种瞬息变 幻、绚丽多彩 的大气光象，中国处在北半球，故观察到的只能是北极光早在二千年前，中 国就对北极光人加以观 察，并有所记载， 《竹书纪年》中记载： “周昭王末年，夜清，五色光 贯紫微其年，王南巡不 返” 此文虽如实地记录了北极光出现的时间、方位和颜色，但把 王南巡不返 （卒于江上 ）联系起 来，说明当时对北极光还没有正确的认识对北极光的形状、 颜色不少书都有详细的描述， 并绘有彩 色极光图， 这些都是研究北极光的极好史料 5、关于成影现象的认识 日常生活中，在光线照射下，影随时随处可以见到，它引起人们的注 意，并探究 其形成的规律 立竿见影是中国古代最早被注意的问题， 后来用此方法测影定向， 并应用于确定墓 穴和建筑物的方位上这套方法在周代已发展很精密，据《考工记》记载， 当时有“土方氏”使用圭 表， “典瑞氏”管理土圭， “匠人”则使用土圭辨定方位进行建筑， 并指出在测表影之先， 要使地 面保持水平， 使表竿保持垂直， 这说明当时已认识到投影的长 度和光源位置有关，而且也和物体的 斜度有关 《墨经》中对成影的讨论更加深入，通过实 验明确指出：表秆在地面上投影的粗细长 短， 是随木离光源的远近、 木的倾斜度以及光源的 大小变化而变化的规律。

中国古代对光的认识除 以上所述外，还有其他一些方面，如 折射现象；天然晶体的色散；明清时期，光学从西方传入后，还 有了光学仪器的制作等等， 但这些认识是零散的， 定性的， 绝大多数都只停留在对光学现象的描写 和记载上 值得提出 的是宋末元初的赵友钦 （13世纪中叶至 14世纪初叶 ），在《革象新书》的 “小罅光景”中， 描写了一个大型光学实验， 在地面下挖了两个圆阱， 圆阱上可加放中心开有大 小、 形状不同 孔的圆板盖 通过它可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔 （大小和形 状 ）、光源 （形状 和强度 ）、像（形状和亮度 ）、物距、像距之间的关系进行研究将两块圆板上各插 1000 多支 蜡烛， 放在阱底或桌面上作为该实验的光源 通过实验确认了光直线进行的性质， 定性地显 示了像的明亮程度与光源强度之间的关系， 并涉及光的照度和成像理论 他所采用的大型实 验方法 很有特色，是中国历史上记载的规模最大的实验 还有值得提出的元代郭守敬 （ 1231 1 3 1 6 ）曾巧妙地利用针孔取像器 〔“景 （影）符”〕解决了历来圭表读数不准的问题 一般圭表 因 太阳上下边沿投影在影端生成半影， 因此读数比较模糊。

正如《元史卷 48》所说：“表短， ,, 所谓 分、秒、太、少、半之数，末易分。