2025年高考我國古代的光學(xué)知識

　　我國古代的光學(xué)知識

　　光學(xué)的起源也和力學(xué)、熱學(xué)一樣，可以追溯到二、三千年前。我國的《墨經(jīng)》就記載了許多光學(xué)現(xiàn)象，例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等。西方也很早就有光學(xué)知識的記載，歐幾里得（Euclid，公元前約330－260）的《反射光學(xué)》（Catoptrica）研究了光的反射，阿拉伯學(xué)者阿勒·哈增（Al-Hazen，965~1038）寫過一部《光學(xué)全書》，討論了許多光學(xué)現(xiàn)象。光學(xué)真正形成一門科學(xué)，應(yīng)該從建立反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。光的本性也是光學(xué)研究的重要課題。微粒說把光看成是由微粒組成，認為這些微粒按力學(xué)規(guī)律沿直線飛行，因此光具有直線傳播的性質(zhì)。19世紀以前，微粒說比較盛行。但是，隨著光學(xué)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)了許多不能用直進性解釋的現(xiàn)象，例如干涉、衍射等，用光的波動性就很容易解釋，于是光的波動說又占了上風(fēng)。兩種學(xué)說的爭論構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展史中的一根紅線。

　　我國古代的光學(xué)知識：

　　1.取火的方法和對火的認識

　　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，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。

　　2.針孔成像和影的認識

　　公元前4世紀，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。"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（“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)認識到光是直線行進的，所以常用“射"來描述光線徑直向前。北宋的沉括在《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。"“光至，景亡。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。《墨經(jīng)》中有這樣的記載：“景二，說在重。”“景二，光夾。一，光一。光者，景也。”意思是一物有兩種投影（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.對面鏡的認識

　　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、詳細的記載。“鑒低，景一小而易，一大而正，說在中之外、內(nèi)。”“低”表示深、凹之意；放在“中之內(nèi)”，得到的像是比物體大而正立的。北宋沉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。

　　墨家對凸透鏡也進行了研究�！赌�經(jīng)》中寫道：“鑒團，景一。說在刑之大。”“鑒團”即燕面鏡，也稱團鏡。“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�！堕g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。”表明很早就有人制作了最早的開管式“潛望鏡”，能夠隔墻觀望戶外的景物。

　　4.對虹的認識

　　虹是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象，從公元6世紀開始，我國古代對虹就有了比較正確的認識。唐初的孔穎達（574-648）曾概括了虹的成因，他認為“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。”指出虹和太陽的位置正好是相對的，傍晚的虹見于東方，而對著太陽是看不見虹的。地虹有了認識之后，便可以人工造虹。8世紀中葉，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。

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