求我國(guó)的古代光學(xué)成就

【專家解說(shuō)】：取火的方法和對(duì)火的認(rèn)識(shí) 我國(guó)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(guó)古籍的記載，古時(shí)常用“夫燧”、“陽(yáng)燧”（實(shí)際上是一種凹面鏡，因用金屬制成，所以統(tǒng)稱為“金燧”）來(lái)取火。《周禮·秋官司寇》中就有“司烜氏，掌以夫燧，取明火于日”的記載?！肚f子》中寫(xiě)道：“陽(yáng)燧見(jiàn)日，則燃而為火?！蓖醭涞摹墩摵狻y龍篇》中明確指出：“今使道之家，鑄陽(yáng)燧取飛火于日。”古時(shí)人們?cè)谛熊娀虼颢C時(shí)，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(shí)用金燧取火，陰天時(shí)用木燧鉆木取火。陽(yáng)燧取火是人類利用光學(xué)儀器會(huì)聚太陽(yáng)能的一個(gè)先驅(qū)。 講到取火，古代還用自制的古透鏡來(lái)取火的。公元前2世紀(jì)，就有人用冰作透鏡，會(huì)聚太陽(yáng)光取火?！秵?wèn)經(jīng)堂叢書(shū)》、《淮南萬(wàn)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?！蔽覀兂Ｕf(shuō)，水火不相容，但制成冰透鏡來(lái)取火，真是一個(gè)奇妙的創(chuàng)造。用冰制成透鏡是無(wú)法長(zhǎng)期保存的，于是便出現(xiàn)用琉璃或玻璃來(lái)制造透鏡。 對(duì)針孔成像和影的認(rèn)識(shí) 公元前4世紀(jì)，墨家就做過(guò)針孔成像的實(shí)驗(yàn)，并給予分析和解釋?！赌?jīng)》中明確地寫(xiě)道：“景到（倒），在午有端，與景長(zhǎng)，說(shuō)在端。”這里的“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(diǎn)（“端”），成像的大小，與這交點(diǎn)的位置有關(guān)。從這里也可以清楚地看到，古人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到光是直線行進(jìn)的，所以常用“射”來(lái)描述光線徑直向前。 北宋的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中也記述了光的直線傳播和小孔成像的實(shí)驗(yàn)。他首先直接觀察鳶在空中飛動(dòng)，地面上的影子也跟著移動(dòng)，移動(dòng)的方向與鳶飛的方向一致。然后在紙窗上開(kāi)一小孔，使窗外飛鳶的影子呈現(xiàn)在室內(nèi)的紙屏上，沈括用光的直進(jìn)的道理來(lái)解釋所觀察到的結(jié)果：“鳶東則影西，鳶西則影東?！? 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(xiě)道：“景不徙，說(shuō)在改為?！薄肮庵粒巴?。若在，盡古息。”說(shuō)明影是不動(dòng)的（“景不徙”），如果影移，那是光源或物體發(fā)生移動(dòng)，使原影不斷消逝，新影不斷生成的緣故（“說(shuō)在改為”）。投影的地方，如果光一照，影子就會(huì)消失（“光至，景亡”），如果影子存在（“若在”），表明物體不動(dòng)，只要物體不動(dòng)，影子就始終存在于原處（“盡古息”）。 墨家對(duì)本影、半影也作了解釋。《墨經(jīng)》中有這樣的記載：“景二，說(shuō)在重?！薄熬岸?，光夾。一，光一。光者，景也。”意思是一物有兩種投影（本影、半影），說(shuō)明它同時(shí)受到兩個(gè)光源重復(fù)照射的結(jié)果（“說(shuō)在重”，“光夾”）。一種投影，說(shuō)明它只受一個(gè)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(duì)位置的變化，以及物與光源本身大小的不同來(lái)討論影的大小及其變化。 對(duì)面鏡的認(rèn)識(shí) 墨家對(duì)凹面鏡作了深入的觀察和研究，并在《墨經(jīng)》中作了明確、詳情的記載?！拌b低，景一小而易，一大而正，說(shuō)在中之外、內(nèi)?！薄暗汀北硎旧?、凹之意，“鑒低”就是指凹面鏡；“中”是指球心到焦點(diǎn)這一段。說(shuō)明物體放在“中之外”，得到的像是比物體小而倒立的；放在“中之內(nèi)”，得到的像是比物體大而正立的。北宋沈括對(duì)凹面鏡的焦距作了測(cè)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(mèng)溪筆談》中作了記載：“陽(yáng)燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠(yuǎn)則無(wú)所見(jiàn)，過(guò)此遂倒?！闭f(shuō)明手指靠近凹面鏡時(shí)，像是正立的，漸漸遠(yuǎn)移至某一處（在焦點(diǎn)附近），則“無(wú)所見(jiàn)”，表示沒(méi)有像（像成在無(wú)窮遠(yuǎn)處）；移過(guò)這段距離，像就倒立了。這一實(shí)驗(yàn)，既表述了凹面鏡成像原理，同時(shí)也是測(cè)定凹面鏡焦距的一種粗略方法。 墨家對(duì)凸透鏡也進(jìn)行了研究。《墨經(jīng)》中寫(xiě)道：“鑒團(tuán)，景一。說(shuō)在刑之大?！薄拌b團(tuán)”即凸面鏡，也稱團(tuán)鏡?！熬耙弧北砻魍姑骁R成像只有一種?！靶獭蓖巫郑肝矬w，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(gè)平面鏡組合起來(lái)，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(duì)此作了記載：“鑒以鑒影，而鑒以有影，兩鑒相鑒，則重影無(wú)窮。”這樣的裝置，收到了“照花前后鏡，花花交相映”的效果?！堕g經(jīng)堂叢書(shū)》、《淮南萬(wàn)畢術(shù)》中記有“取大鏡高懸，置水盆于其下，則見(jiàn)四鄰矣?！北砻骱茉缇陀腥酥谱髁俗钤绲拈_(kāi)管式“潛望鏡”，能夠隔墻觀望戶外的景物。 對(duì)虹的認(rèn)識(shí) 虹是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象，從公元6世紀(jì)開(kāi)始，我國(guó)古代對(duì)虹就有了比較正確的認(rèn)識(shí)。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?！泵鞔_指出產(chǎn)生虹的3個(gè)條件，即云、日、“日照雨滴”。沈括對(duì)此也作過(guò)細(xì)致的研究，并作實(shí)地考察。在《夢(mèng)溪筆談選注》中寫(xiě)道：“是時(shí)新雨霽，見(jiàn)虹下帳前洞中。予與同職扣澗觀之，虹兩頭皆垂?jié)局小Ｊ谷诉^(guò)澗，隔虹對(duì)立，相去數(shù)丈，中間如隔綃縠，自西望東則見(jiàn)；蓋夕虹也。立澗之東西望，則為日所鑠，都無(wú)所睹?！敝赋龊绾吞?yáng)的位置正好是相對(duì)的，傍晚的虹見(jiàn)于東方，而對(duì)著太陽(yáng)是看不見(jiàn)虹的。 對(duì)虹有了認(rèn)識(shí)之后，便可以人工造虹。8世紀(jì)中葉，唐代曾有過(guò)這樣的試驗(yàn)：“背日噴呼水成虹霓之狀”，表示背向太陽(yáng)噴出小水珠，便能看到類似虹霓的情景。宋代的《毛詩(shī)名物解》中說(shuō)過(guò)：“以水日，自側(cè)視之，則暈為虹霓?！睆?qiáng)調(diào)必需從側(cè)面觀察，才能見(jiàn)到虹霓。