親們，幫個忙。中國古代物理學(xué)的貢獻(xiàn)--聲學(xué)部分，光學(xué)部分。 謝謝

【專家解說】：1、 取火的方法和對火的認(rèn)識 我國古代取火的工具稱為“燧”，有金燧、木燧之分。金燧取火于日，木燧取火于木。根據(jù)我國古籍的記載，古代常用“夫燧”、“陽燧”(實際上是一種凹面鏡，因用金屬制成成， 所以統(tǒng)稱為“金燧”)來取火。古代人們在行軍或打獵時，總是隨身帶有取火器，《禮記》中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的記載，表明晴天時用金燧取火，陰天時用木燧取火。陽燧取火是人類利用光學(xué)儀器會聚太陽能的一個先驅(qū)。講到取火，古代還用自制的古透鏡來取火的。公元前2世紀(jì)，就有人用冰作透鏡，會聚太陽光取火。《問經(jīng)堂叢書》、《淮南萬畢術(shù)》中就有這樣的記載:“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生。”我們常說，水火不兼容，但制成冰透鏡來取火，真是一個奇妙的創(chuàng)造。用冰制成透鏡是無法長期保存的，于是便出現(xiàn)用玻璃或玻璃來制造透鏡。 《華嚴(yán)經(jīng)》菩薩問明品 記載“勤首菩薩以頌答曰: 如鉆燧求火，未出而數(shù)息，火勢隨止滅，懈怠者亦然。如人持日珠，不以物承影，火終不可得，懈怠者亦然”。 2、針孔成像和影的認(rèn)識 公元前4世紀(jì)，墨家就做過針孔成像的實驗，并給予分析和解釋。《墨經(jīng)》中明確地寫道:“景到(倒)，在午有端，與景長，說在端?！边@里的“午”即小孔所在處。這段文字表明小孔成的是倒像，其原因是在小孔處光線交叉的地方有一點(“端”)，成像的大小，與這交點的位置無關(guān)。從這里也可以清楚看到，古人已經(jīng)認(rèn)識到光是直線行進(jìn)的，所以常用“射”來描述光線徑直向前。北宋的沈括在《夢溪筆談》中也記述了光的直線傳播和小孔成像的實驗。他首先直接觀察在空中飛動，地面上的影子也跟著移動，移動的方向與飛的方向一致。然后在紙窗上開一小孔，使窗外飛的影子呈現(xiàn)在窒內(nèi)的紙屏上，沉括用光的直進(jìn)的道理來解釋所觀察到的結(jié)果:“東則影西，西則影東”。墨家利用光的直線傳播這一性質(zhì)，討論了光源、物體、投影三者的關(guān)系。《墨經(jīng)》中寫道:“景不徙，說在改為?！薄肮庵粒巴?。若在，盡古息。”說明影是不動的，如果影移，那是光源或物體發(fā)生移動，使原影不斷消逝，新影不斷生成的緣故。投影的地方，如果光一照，影子就會消失，如果影子存在，表明物體不動，只要物體不動，影子就始終存在于原處。墨家對本影、半影也作了解釋?！赌?jīng)》中有這樣的記載:“景二，說在重。”“景二，光夾。一，光一。光者，景也?！币馑际且晃镉袃煞N投影(本影、半影)，說明它同時受到兩個光源重復(fù)照射的結(jié)果(“說在者”，“光夾”)、一種投影，說明它只受一個光源照射，并且強(qiáng)調(diào)了光源與投影的聯(lián)系(“光者，景也”)。與此相連，墨家還根據(jù)物和光源相對位置的變化，以及物與光源本身大小的不同來討論影的大小及其變化。 3、對面鏡的認(rèn)識 墨子對凹面鏡、凸面鏡和平面鏡成像的原理也進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，已發(fā)現(xiàn)了凹面鏡焦點的存在。如墨家對凹面鏡作了深入的觀察和研究，并在《墨經(jīng)》中作了明確、詳細(xì)的記載?！拌b低，景一小而易，一大而正，說在中之外、內(nèi)?！薄暗汀北硎旧睢贾?放在“中之內(nèi)”，得到的像是比物體大而正立的。雖然他尚把球心和焦點混淆在一起，但這些實驗是世界上最早的光學(xué)實驗，具有重大的科學(xué)意義。李約瑟曾把墨子光學(xué)與古希臘光學(xué)進(jìn)行比較，指出墨子的光學(xué)研究“比我們?nèi)魏嗡南ＥD為早”，“印度亦不能比擬”。 北宋沈括對凹面鏡的焦距作了測定。他用手指置于凹面鏡前，觀察成像情況，發(fā)現(xiàn)隨著手指與鏡面距離的遠(yuǎn)近變化，像也發(fā)生相應(yīng)的變化。在《夢溪筆談》中作了記載:“陽燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠(yuǎn)則無所見，過此遂倒。”說明手指靠近凹面鏡時，像的正立的，漸漸遠(yuǎn)移至某一處(在焦點附近)，則“無所見”，表示沒有像(像成在無窮遠(yuǎn)處);移過這段距離，像就倒立了。這一實驗，既表述了凹面鏡成像原理，同時也是測定凹面鏡焦距的一種粗略方法。 墨家對凸透鏡也進(jìn)行了研究。《墨經(jīng)》中寫道:“鑒團(tuán)，景一。說在刑之大?！薄拌b團(tuán)”即凹面鏡，也稱團(tuán)鏡。“景一”表明凸面鏡成像只有一種。“刑”同形字，指物體，它總比像大。我們的祖先，利用平面鏡能反射光線的特性，將多個平面鏡組合起來，取得了有趣的結(jié)果。如《莊子·天下篇》的有關(guān)注解《莊子補(bǔ)正》中對此作了記載:“鑒以鑒影，而鑒以有影，兩鑒相鑒，則重影無窮。”這樣的裝置，收到了“照花前后鏡，花花交相映”的效果。《間經(jīng)堂叢書》、《淮南萬畢術(shù)》中記有“取大鏡高懸，置水盆于其下，則見四鄰矣?！北砻骱茉缇陀腥酥谱髁俗钤绲拈_管式“潛望鏡”，能夠隔墻觀望戶外的景物。 此外，漢代發(fā)明的透光鏡，能夠反射出銅鏡背面的精美圖像，是中國古代光學(xué)的一大發(fā)明，現(xiàn)在仍引起中外學(xué)者的關(guān)注。 4、對虹的認(rèn)識 虹是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象，從公元6世紀(jì)開始，我國古代對虹就有了比較正確的認(rèn)識。唐初的孔穎達(dá)(574-648)曾概括了虹的成因，他認(rèn)為“若云薄漏日，日照雨滴則虹生。”明確指出產(chǎn)生虹的3個條件，即云、日、“日照雨滴”。沉括對此也作過細(xì)致的研究，并作實地考察。在《夢溪筆談選注》中寫道:“是時新雨霽，見虹下帳前澗中。”予與同職扣澗觀之，虹兩頭皆垂?jié)局小Ｊ谷诉^澗，隔虹對立，相去數(shù)丈，中間如隔綃觳，自西望東則見;蓋夕虹也。立澗之東西望，則為日所鑠，都無所睹?！敝赋龊绾吞柕奈恢谜檬窍鄬Φ模淼暮缫娪跂|方，而對著太陽是看不見虹的。地虹有了認(rèn)識之后，便可以人工造虹。8世紀(jì)中葉，唐代曾有過這樣的試驗:“背日噴呼水成虹霓之狀”，表示背向太陽噴出小水珠，便能看到類似虹霓的情景。 5、墨經(jīng)光學(xué)八條 墨翟(約公元前478年--前392年)，是墨家學(xué)派的創(chuàng)始人。戰(zhàn)國時期的政治家、科學(xué)家。他和他的門徒根據(jù)古代勞動人民在實踐中認(rèn)識到的光學(xué)知識，研究總結(jié)出八條帶規(guī)律性的經(jīng)驗，記錄在《墨經(jīng)》中，分條厘說，通稱“墨經(jīng)光學(xué)八條”，是《墨經(jīng)》中精粹部分之一。光學(xué)八條直接涉及到光學(xué)應(yīng)用中一些問題。 發(fā)光體照射物體形成影子，是大自然中最普通的現(xiàn)象，又是攝影師在藝術(shù)造型中饒有興趣的問題。《墨經(jīng)》中的光學(xué)論述，首先是以此開始的?！肮鈱W(xué)八條”中的第一、第二條是:經(jīng):景徙。說在改為。說:景光至，景亡。若在，盡，古息。(第一條)經(jīng):景二。說在重。說:景，二光，夾，一光。一光者景也。(第二條) 大意是說影子產(chǎn)生的原因。在光照到的地方，就沒有影子;如果有影子，那就是光被物體遮擋。進(jìn)一步說，如果光源、物體和承影面相對靜止，那么影子的位置也相對固定。當(dāng)兩個光源同時照射一個物體時，就產(chǎn)生了二個“半影”夾持著一個“本影”;一個光源照射時只有一個影子。這二條反映了古代人民對光學(xué)現(xiàn)象最樸素的認(rèn)識。還有一條頗值得注意，它直接論述到針孔成像的原理。原文是:經(jīng):景到，在午有端;與景長，說在端。說:景光之人照若射，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。在遠(yuǎn)近，有端與于光，故景庫內(nèi)也。(第三條) 這條大意是說，影子倒過來是因為光線在小孔處匯成光束所致，“午”是指光束相交之點，即針孔處。光線好象箭一樣直線傳播著，從下方來的光線通過小孔成象于上方，從上方來的光線成像于下方。經(jīng)說最后一句“在遠(yuǎn)近有端于光”，近代學(xué)者多解釋為類似攝影光學(xué)中物距、像距的概念?！斑@可以說明現(xiàn)今照像者進(jìn)退暗箱的理由”。第五條論述的是關(guān)于光的強(qiáng)弱關(guān)系。結(jié)論是:發(fā)光體遠(yuǎn)近決定光的強(qiáng)度。類似現(xiàn)代光度學(xué)概念。四、六兩條是解釋平面鏡反射現(xiàn)象。 中國古代，冶煉技術(shù)十分發(fā)達(dá)。隨之而來的是銅鏡制造工藝，根據(jù)文字記載和考古的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時的銅鏡不僅有平面鏡，而且根據(jù)不同用途制成了凸面鏡或凹面鏡，凹面鏡，古稱陽燧，是人們利用陽光聚焦取火的工具。古代沒有專門掌管陽燧的官職，《周禮》卷七十《秋官·司寇下》記載:“司烜(音火。古官職名)氏掌以夫遂，取明火于日?！睎|漢鄭玄注:“夫遂，陽燧也。”應(yīng)該指出的是，凹面鏡在現(xiàn)代應(yīng)用攝影光學(xué)中占有重要地位。近來出現(xiàn)折反式攝影鏡頭，已進(jìn)一步證明了這一點。古人已認(rèn)識到物體放在球心外時，獲得的是比物體小的倒立像。當(dāng)物體在球心內(nèi)時，得到的是比物體大的正立像。即經(jīng)中所說“鑒低，景，一小而易，一大而擊。說在中之外，內(nèi)。 概括起來，可推斷那時人們已經(jīng)懂得:1. 光的直線傳播;2. 影子的成因及變化規(guī)律;3. 針孔成像的道理;4. 針孔暗箱成像時，物、像大小取決于物距和像距的關(guān)系;5. 類似放大率的概念;6. 凹面反光鏡前焦點到球心，這一區(qū)域在成像中的特殊意義。墨經(jīng)光學(xué)八條，體現(xiàn)了先秦時期我國人民在科學(xué)研究方面的突出貢獻(xiàn)。由于認(rèn)識水平的限制，用今天的眼光看來，帶有明顯的片面性和不完整性。《墨經(jīng)》的內(nèi)容，盡管文字深奧難解，但學(xué)術(shù)界各家的注疏基本一致，其內(nèi)容本身是不容置疑的。墨家學(xué)派形成后，開辟了中國的“格致之學(xué)”，對后人研究攝影光學(xué)有所啟迪。 6、光學(xué)折射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 《墨經(jīng)》中沒有論及光線在不同介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的折射現(xiàn)象，這是因為當(dāng)時的工藝制造條件，尚不能提供理想的透明玻璃，而折射現(xiàn)象直接關(guān)系到透鏡成像理論基礎(chǔ)。公元前139年西漢淮南王劉安主持編修的《淮南萬畢術(shù)》中除了重復(fù)“陽燧見日則火生”的說法外，還出現(xiàn)了用冰制造透鏡的記載:“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影則火生?！绷頁?jù)《西京日記》記載，漢武帝(公元前140年--前87年)時，已知道用白光琉璃將陽光折入暗室使成為白晝。又據(jù)清代林志誠著《事類統(tǒng)編》稱:北魏時(386--581)西域月氏國商人用礦石制成人造有色琉璃。曾做了一間可容百人的房子，四周利用人造琉璃折光，使室內(nèi)光色映澈。及至宋代劉歧寫的《暇日記》也談到利用水晶折光將陽光焦聚，照亮陰暗的案牘。 北宋大科學(xué)家沈括(1031--1095)，在他的著作《夢溪筆談》中，進(jìn)一步對小孔成像理論和凹面反光鏡作了分析和解釋，取得新的成果。他用生動的比喻說明小孔成像是因為光線穿過“礙”(即小孔)形成光束所造成的結(jié)果。以后，人們在日常生活里，多次觀察到由于客觀條件的巧合而形成的小孔成像現(xiàn)象，遂引起廣泛的注意，而尤為歷代文人所重視，古籍中也常有記載。元代陶宗儀的著名筆記著作《輟耕錄》中說:“平江虎丘閣，版上有一竅。當(dāng)日色清朗時，以掌大白紙承其影，則一寺之形勝，悉于此見之。但頂反居下耳，此固有象可寓，非幻出者?！庇终f:“松江城中有四塔……夏監(jiān)運(yùn)家乃在四塔之東，而小室內(nèi)卻有一塔影，長五寸許，倒懸于西壁之上，不知從何而來。然不常有，或時見之焉，是又不可曉也。 明代劉侗、于奕正著《帝京景物略》提到北京天寧寺中的小孔成像，并且做了一些解釋。原文是“塔倒影，在大土殿。日方中，闔殿中門，日入門罅，塔全影倒現(xiàn)石上。昔人云:影從罅入，空中物則旁礙，礙則影束，影束則倒?！駪溢R中像，過旁鏡，其物正倒也，陽燧倒影者，日光倒入也。又光從上來，層十三具，光一再傳，物體則小也……。”明清時期的北京廟宇慈慧寺，也是當(dāng)時以倒影著稱而吸引游客的古跡。 “針孔成像”的現(xiàn)象，引起人們愈來愈大的興趣。為了進(jìn)一步研究，元代科學(xué)家趙友欽設(shè)計了一個相當(dāng)龐大的光學(xué)實驗。他把一整座房屋作為實驗室。在左右隔開的二間房內(nèi)，各掘一個不同深度圓井。井口處各置小孔，樓房的活動棚頂作承影屏，用上千支蠟燭做發(fā)光體。通過預(yù)先設(shè)計的實驗程序得出以下結(jié)論:“針孔”擴(kuò)大到相當(dāng)大時，不能成像;“針孔”相當(dāng)小時，屏上的像和光源形狀相同，但方向相反;“照度”和距離成反比關(guān)系。 趙友欽把這次實驗的過程和結(jié)果，寫成一篇論文，叫《小罅光景》，收入他的自然學(xué)文集《革象新書》。這部書后來被收入明代編纂的大型類書《永樂大典》中。趙友欽的試驗，使用了上千支蠟做發(fā)光體，在攝影學(xué)的意義上說明他已認(rèn)識到像是由許多光點所構(gòu)成。其實驗場所可以說是最大的暗箱。趙友欽的論文《小罅光景》的學(xué)術(shù)水平當(dāng)時在世界上是領(lǐng)先的。 明末清初的科學(xué)家方以智(字密之，號曼公。1611--1671)，也在他所著的《物理小識》一書里敘述了他親自做過的小孔成像實驗:“屋漏小罅，日影如盤。嘗以紙征之，刺一小孔，使日照一石，適如其分也;手漸移而高，光漸大于石矣;刺四、五穴，就地照之，而四、五穴各為光影也;手漸移而高，光合為一，而四、五穴之影，不可復(fù)得矣?！闭f明方以智的這個實驗，是對于小孔成像的條件和影響影像大小的具體因素規(guī)律性的探索。 7、透鏡暗箱 攝影術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用離不開暗箱。針孔暗箱雖能成像，但正如趙友欽實驗結(jié)果那樣，它存在著致命的缺點，即不能解決影像亮度和清晰度之間的矛盾。所以，透鏡暗箱的出現(xiàn)，使光學(xué)應(yīng)用技術(shù)前進(jìn)了一大步。歐洲在文藝復(fù)興時期，畫家已廣泛使用透鏡暗箱，不過那時只作為一種繪畫的輔助工具而已。明末清初，一些西方傳教士來到中國，促進(jìn)了中西文化的交流，隨之，一些光學(xué)器具也開始傳入中國。首先傳入的是各種透鏡，包括眼鏡和放大鏡。清代趙翼在《陔馀叢考》中說:“古未有眼鏡，至明始有之，本來自西域。”清代以后，廣東省出現(xiàn)了用近代方法制造玻璃的工業(yè)，為國內(nèi)磨制光學(xué)透鏡提供了物質(zhì)條件。 清初的光學(xué)器具制造家孫云球，是中國磨制透鏡的高手。孫云球，字文玉，又字泗濱。江蘇吳縣人。生于崇禎初年，死于康熙年間，僅活了33歲。他的父親志儒，曾任福建漳州知府。孫云球小時聰明異常，13歲時就讀于吳江縣縣學(xué)。不久父親故去，家道中落，靠賣草藥奉養(yǎng)母親。他喜歡鉆研機(jī)械，自制鐘表，青年時代，就成了著名的透鏡制造家。史書記載:“昔虎丘孫云球以西洋鏡制昏眼、近光、童光等鏡，為七十二種。又有遠(yuǎn)鏡、火鏡、端容鏡、攝光鏡、夕陽鏡、顯微鏡……?！辈⒅小剁R史》一書，可惜已經(jīng)失傳。證明當(dāng)時國內(nèi)已經(jīng)能自制攝影鏡頭(即所稱“攝光鏡”)，出現(xiàn)了一些用攝影鏡頭裝配的光學(xué)器具，影戲燈就是其中之一。 所謂“影戲燈”，就是現(xiàn)在所說的幻燈機(jī)，或攝影用的放大機(jī)。其實，我國早在公元前三世紀(jì)時的古籍《韓非子》中就記載了古人放映幻燈的一段故事。大意是:周君請一個人為他作畫，三年后畫畫好了?？吹臅r候，需要筑一高墻，墻上開小孔，然后插入“筴”(相當(dāng)于幻燈片)，在有陽光的時候才能觀看，“盡成龍蛇禽獸車馬，萬物之狀具備。”可惜的是，這種針孔的幻燈機(jī)沒有得到發(fā)展和改進(jìn)。 清代學(xué)者顧祿(鐵卿)曾記載了當(dāng)時流傳于民間的影戲燈的情況，他說:“其法皆傳自西洋歐邏巴諸國，今虎邱人皆能為之。燈影之戲，則用高方紙木匣，腹貯油燈，燃炷七八莖。其火焰適對正面之孔。其孔與匣突出寸許，作六角式，須用攝光鏡重疊為之，乃通靈耳……中嵌玻璃，反繪戲文……將影攝入粉壁，匣愈遠(yuǎn)而光愈大，惟室中盡滅燈光，其影始得分明也……。”有趣的是，文中提到“須用攝光鏡重疊為之”說明使用的是“復(fù)式鏡頭”，而這時恰恰是歐洲風(fēng)景暗箱流行的時期，當(dāng)時復(fù)式鏡頭在世界上標(biāo)志先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)水平。