光学的生活运用

光学的生活运用

一、影子与投影

1.影子

关于影的定义，《墨经》指出，影子是物体阻碍光线的行进造成的。当障碍光线的物体移动时，表面看来影子也在移动，实际上这是原影不断消失，新影不断形成的物理过程。《墨经》由此断论：“影不徒”。

《墨经》亦讨论了具体的影子，如两个光源一个障碍物，因而形成了重影：一个本影，一个半影。

2.影迎日现象

《墨经》讨论了反射光成影的情形：平面镜反射太阳光后，由反射光所成的像位于人与太阳之间。这就是《墨经》所谓的“影迎日”现象。另外，《墨经》也详细论述了影的大小与物体的斜正、物与光源距离的远近等各个因素之间的关系。

3.小孔成像实验

《墨经》在光的直线行进问题说中指出，光照人如同射箭，是笔直前进的。为了证明这一论点，墨家在世界上最早作了小孔成像实验。筑一无窗木屋，在其朝东的木板墙上有一小孔洞，屋内西墙粉刷洁白，当太阳刚露出地面时，木屋外小孔前方的人成像于屋内西墙上，屋内的人就看到西墙上一个倒立的人像。为什么是倒像呢？墨家解释说，关键在于小孔，光线经过小孔时上下位置时会发生交错。从上面射向孔的光，经过小孔后射到下面；从下面射向小孔的光，经过小孔后射到上面。人的足部遮挡了下面的光，因此成影就在上面；而人的头部遮挡了上面的光，成影就在下面。

4.凸凹镜面成像

关于凹面镜的成像规律，《墨经》中说：“鉴洼（凹），景（同影）一小而易，一大而正；说在中之外内。”墨家在研究时，可能还没有焦点的概念。他们将焦点与球面镜的球心之间的一段距离称为“中”。他们在实验时是直接对着凹面镜看，也就是说，以自己的脸为物，以自己的眼睛作为屏。因此，当他们从远处向着凹面镜走近时，发现自己缩小的倒像迎面而来；走到接近“中”的位置时，像逐渐模糊；而在“中”这段距离内，成像在人的背后，因此，观察者或实验者自己甚么也看不见了﹔一旦走过“中”并继续前进时，又看到一个放大的正像。不过由于记录没有用物与屏，因而没有观察到在球心与焦点之间的成像情形。关于凸面镜成像，《墨经》只用“鉴团，景（同影）一”四个字作了总结。“团”为凸形，意思是说，凸面镜只有一种缩小的正立像。

二、大自然与古代光学

1.月圆月缺

沈括在回答有关日、月、形、体及月为何有光的问题时，肯定地说，“日月之形如丸”，“月本无光”，“日耀之乃光耳”（《梦溪笔谈》卷七）。同时他还指出，每逢月初，太阳在月旁边，因此人们见到月亮的光明部分如同弯钩；以后太阳离月亮渐渐地远起来，太阳变成斜照月亮，因此看到月亮逐渐变成一个圆。

值得指出的是沈括第一次以一个圆球模型来演示月亮圆缺的道理：将该球的半个球面涂上银粉，另半球是黑的。当人们正对涂银粉的半球观察时，光亮面正好是一个圆；当人们侧视它时，光亮面就如同弯钩。

2.发现彩虹

中国人对雨虹的认识也有很长一段历史。最初，人们观察到雨虹现象，只能是粗浅地记述它的位置和形成的季节、条件。从唐代起，对虹的科学认识才有很大的进展。唐人孔颖达（574-648年）指出：“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”

沈括以自己亲身对虹的观察，不仅肯定前人的有关结论，而且指出，只有顺着太阳照射的方向才能看见雨虹，如果对着烈日耀眼的太阳看，就什么也看不到。（《梦溪笔谈》卷廿一）在西方，类似唐人对彩虹的观察结论，要到13世纪才见之于史籍，比中国人大约晚了600余年。

3.塔影倒立

在沈括以前，民间曾流传一种谬说：塔影倒立是因为大海翻腾的缘故。这里的“塔影倒立”是指通过窗隙小孔的寺塔影子。沈括对此科学地解释说：鹰在空中飞翔，它的影子随鹰而移动，如果在鹰与影子之间有一小窗孔，那么光线穿过小孔时，影子的移动与鹰的飞行方向相反。即鹰往东飞，影子往西移；鹰往西飞，影子往东移。寺塔通过窗孔的影子，是倒立的，其道理与此相同，也与凹面镜成像的道理相同，这些都是自然界常见的现象。

4.红光验尸

沈括汲取前人的光学知识，对“红光验尸”的方法也有研究。当法官在判断死者属他杀，并在死者身上寻找证据时，他杀的痕迹并非一目了然。

沈括记载了某些知县的断案经验：先以酒糟液（类似酒精的功用）或草木灰水擦洗死者皮肤，然后将尸体放于阳光照射的红色雨伞下，死者被鞭笞的痕迹历历可见。

从光学的角度看，这种方法所以能见死者伤痕，是因为红雨伞起了滤光片作用。太阳光透过红雨伞后，只剩红光，其余色光均被雨伞过滤，于是伤痕的青紫色在红光照射下，就更容易被看出来。

三、投影与皮影戏

影戏的制作起先不过是剪纸，后来发展到以羊皮雕刻形体，进而又演变为羊皮形体的四肢、头颈都可活动。这就是中国历史上有名的“皮影戏”。它在中国诞生以后，辗转传播到世界各地，并且成为世界的科学文化财富。影戏的制作起先不过是剪纸，后来发展到以羊皮雕刻形体，进而又演变为羊皮形体的四肢、头颈都可活动。这就是中国历史上有名的“皮影戏”。它在中国诞生以后，辗转传播到世界各地，并且成为世界的科学文化财富。

1.原始的灯焕

早在战国时期，中国人发明了最原始的幻灯。据《韩非子·外储说》记载：有一位画家，专门在豆荚内膜上作精细图画。他筑上板墙，在木板上凿小孔，日始出时将荚膜画贴于小孔，于是在板屋内墙上龙蛇车马历历可见。现代的幻灯所需的三个条件：光源、底片与屏幕，在《韩非子》的记述中一一具备，其光学原理也完全相同，中国古代人发明这种幻灯，不仅因地制宜，就地取材，其时间之早是其他文明古国所不能相比的。

2.皮影戏来源

皮影戏在中国起源于汉代。让灯光照射于屏幕，将木偶一类物体在灯前舞动，其阴影就投在屏幕上。真正的影戏大概始于唐宋年间。它是汉代方士齐少翁影戏法发展的结果。只要让“影人”或“影物”像木偶一样地表演动作，那么屏幕上就能出现栩栩如生的影子。据说，这样的影戏在宋代京城深受男女老幼的喜爱，“儿童喧呼，终夕不绝”。当表演者边表演、边说唱，每当演到悲伤的情节时，还有人为之哭泣。

四、迷惑的光学现象

1.小儿辩日的光学现象

“小儿辩日”叙述两个小孩争论太阳究竟在早晨还是在中午距地面近。这个有趣的光学故事在中国流传了2000余年。故事出自《列子·汤问》一书，其大意是：孔子远游在外，有一天他见两个小孩斗嘴，便好奇地走过去，寻问他们辩论什么。

其中一小孩说：“我认为，日初出时日距地面近，中午时距地面远。”

另一小孩接着说：“不对！日初出时距地面远，中午时距地面近。”

一小孩又解释说：“日初出大如车盖，中午时如盘似碟。这不是远者小近者大吗？”

另一小孩也解释说：“日初出凉凉爽爽，中午时热如沸汤。这不是近火者热远火者凉吗？”

孔子听后，不能判断谁是谁非。于是，这两个儿童取笑孔子：“谁说你知识渊博？”

2.峨嵋宝光与海市蜃楼

（1）峨嵋宝光。“峨嵋宝光”是在高山顶上见到的光学奇景。在中国四川峨嵋山上所见居多，故而如此称之。它又称五彩光环或山地宝光。实际上，它是射进云雾表层的太阳光的衍射光环。它的产生必须有两个物理条件：一是太阳光；二是在观察者的脚下有云雾。

当山顶或观察者头部的影子既落在距离较近的下方云层或雾带上，又恰好落在衍射光环的中心时，观察者将见到令人兴奋而惊讶的奇观：山顶或观察者头部的影子会被披上了一层层彩色光环。

（2）海市蜃楼。海市蜃楼的形成是由于大气层中空气的密度不同，当光线经过时会发生折射，甚至全反射，于是，远处的景物就显示在空中或地面，从而造成奇幻异景。这种现象常常发生在海边和沙漠地带。若在海边或海上发生，称为上现蜃景，即在空中形成正立的幻景；若在沙漠地带上发生，称为下现蜃景，即在地面形成倒立的幻景。因为高空气流往往改变大气层的疏密程度，当大气层的疏密程度一旦改变，折射路径也随之变化，蜃景就可能立即消失。因此，海市蜃楼的出现往往变幻莫测。