中国古代物理学-《墨经》光学
来源：物理ok网
编辑：网友
时间：2015-01-27
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以墨翟为首的墨家是春秋战国时期科学成就最大的学派。他们的著作《墨经》以连续八条文字记载了光学问题。它们依次为：1)影的定义及影子生成的道理；2)光线与影的关系；3)光的直线行进的性质并以类似小孔照像匣的实验证明这种性质；4)光反射特性；5)从物体与光源的相对位置来确定影子的大小；6)平面镜反射成像；7)凹面镜反射成像；8)凸面镜反射成像。这八条文字，是墨家从事光学实验、进行精密观察的忠实记录。前五条，论述光源、物体与影子二者的关系，从影的定义到这三者的复杂关系的综合论述，光学中论影的部分大都完备了。从第六条开始，详细记述在各种镜下物与像的位置、大小关系，光学中有关像的部分也大都具备了。既有论影，又有论像，几何光学的基础也就奠定了。前后八条文字，寥寥数百字，条理清晰，逻辑严谨，可称得上是2000多年前世界上最伟大的光学著作。
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：“影不徙。”名家惠施也与墨家作出相似的结论：“飞鸟之影未尝动也。”大概名家的理由也与《墨经》相同。进而《墨经》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(图4-2)。
图4-2 重影
《墨经》就光的直线行进问题说，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要发生交错。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，因此成影在上面；而人的头部遮挡了上面的光，成影就在下面。
继而，《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”的现象(图4-3)。关于影的最后一段文字，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。
影
图4-3 “影迎日”现象
关于平面镜成像的规律，《墨经》首先指出，以水面作镜或者将平面镜放于地面，这样站立镜旁照镜，影是倒的。同时还指出平面镜只有一种像，而且与物相对称，物移近或远离镜面，像也移近或远离镜面。
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什么也看不见了；一旦走过“中”并继续前进时，又看到一个放大的正像(图4-4)，这个实验及其记录没有用物与屏，因而没有观察到在球心与焦点之间的成像情形，似乎令人遗憾。然而，以人自己的脸和眼睛当作光学实验的物与屏，在习惯于光学实验条件齐备的近代，并非人人都曾想过或实验过的课题。据说，1907年英国剑桥大学马达莱恩(Magdalene)学院在考试时就有这样一道有关凹面镜的考题。而墨家学派在2300多年前对此就作出了完满的答案。难道这不令人惊讶吗？
图4-4 凹面镜成像示意图
当人从远离球心的A走到B，成像于A′和B′；当人走进球心和焦点之间C点时，成像于人的背后C′；当人走过焦点而抵达D时，人眼看到镜背后放大正立的虚像。
图4-5 凸面镜成像示意图
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(图4-5)。
除了这八条光学记载外，墨家在回答“为什么能看见周围的物体”这一问题时，作出了正确的答案：人依靠眼睛见物，而眼睛依靠光见物。这个答案成为中国科学文化的传统观念。然而几乎同时古希腊的一些学者，如恩培多克勒(约公元前490—前430年)、柏拉图主义者和大数学家欧几里得(约公元前330—前275年)都主张一种奇怪的眼睛发射说。他们认为，眼睛能发射一种射线，一旦它遇到物体发出的射线时就产生视觉。
可惜，《墨经》光学中没有关于反射角、入射角的记述，由于当时没有玻璃制造的透镜，也就没有关于折射的知识。这方面，确实又有点令人遗憾。
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：“影不徙。”名家惠施也与墨家作出相似的结论：“飞鸟之影未尝动也。”大概名家的理由也与《墨经》相同。进而《墨经》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(图4-2)。
图4-2 重影
《墨经》就光的直线行进问题说，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要发生交错。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，因此成影在上面；而人的头部遮挡了上面的光，成影就在下面。
继而，《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”的现象(图4-3)。关于影的最后一段文字，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。
影
图4-3 “影迎日”现象
关于平面镜成像的规律，《墨经》首先指出，以水面作镜或者将平面镜放于地面，这样站立镜旁照镜，影是倒的。同时还指出平面镜只有一种像，而且与物相对称，物移近或远离镜面，像也移近或远离镜面。
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什么也看不见了；一旦走过“中”并继续前进时，又看到一个放大的正像(图4-4)，这个实验及其记录没有用物与屏，因而没有观察到在球心与焦点之间的成像情形，似乎令人遗憾。然而，以人自己的脸和眼睛当作光学实验的物与屏，在习惯于光学实验条件齐备的近代，并非人人都曾想过或实验过的课题。据说，1907年英国剑桥大学马达莱恩(Magdalene)学院在考试时就有这样一道有关凹面镜的考题。而墨家学派在2300多年前对此就作出了完满的答案。难道这不令人惊讶吗？
图4-4 凹面镜成像示意图
当人从远离球心的A走到B，成像于A′和B′；当人走进球心和焦点之间C点时，成像于人的背后C′；当人走过焦点而抵达D时，人眼看到镜背后放大正立的虚像。
图4-5 凸面镜成像示意图
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(图4-5)。
除了这八条光学记载外，墨家在回答“为什么能看见周围的物体”这一问题时，作出了正确的答案：人依靠眼睛见物，而眼睛依靠光见物。这个答案成为中国科学文化的传统观念。然而几乎同时古希腊的一些学者，如恩培多克勒(约公元前490—前430年)、柏拉图主义者和大数学家欧几里得(约公元前330—前275年)都主张一种奇怪的眼睛发射说。他们认为，眼睛能发射一种射线，一旦它遇到物体发出的射线时就产生视觉。
可惜，《墨经》光学中没有关于反射角、入射角的记述，由于当时没有玻璃制造的透镜，也就没有关于折射的知识。这方面，确实又有点令人遗憾。
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