墨子的光学思想

2.墨子的光学思想

墨子是战国时期著名的学者和大师，在我国古代历史上，他和他的弟子所创立的墨学曾经产生过深远而有意义的影响。在《墨经》一书中，墨子对认识论、逻辑思想，特别是关于宇宙论、物理学、数学、机械制造、军事等自然科学方面所阐述的言论和观点，其思想之深邃，内容之广泛，可以说震动了当今的学术界。以今人的眼光来看，墨子的这些言论和观点能出自墨子生活的那个年代，是非常了不起的，因此显得尤为珍贵。

本节中，我们着重探讨墨子在光学方面的研究。

（1）光与影的关系

《墨经》

《墨经》一书中，墨子通过对运动物体影像变化的观察，探讨了光与影的关系，提出了“景不徙”的命题，也就是说，运动着的物体的影也是随着物体在运动着的。不过这一说法，在现代看来，其实是一种错觉。因为，当运动着的物体位置移动后，它新的影像是在位移后形成的，前一瞬间所形成的影像已经消失。它的影子是由于新旧影像随着物体运动而连续不间断地生灭交替所形成的，并非是原有的影像运动到新的位置，所以不是影像自身在做运动。墨子的这一命题，被后来的古人所继承，并由此而提出了“飞鸟之影未尝动”的命题。

（2）物体的本影和副影

在物体本影和副影的问题上，墨子指出，如果光源是点光源，物体则只有本影出现。如果光源不是点光源，由于从各点发射的光线产生重复照射，从而使物体产生本影和副影。

光与影

（3）小孔成像

墨子在进行了小孔成像的实验之后，明确指出，光是沿直线传播的，物体通过小孔所形成的像是倒像。他解释说，由于光的直线传播特性，当光线经过物体穿过小孔时，物体上方成像于下，物体下方成像于上，因而所成之像为倒像。同时，他还论述了影像的大小与物体的斜正、光源的远近的关系，并指出，当物体端正或光源近时影短粗，当物体倾斜或光源远时影长细，如果光是反射光，则影形成于物与光源之间。

小孔成像原理观测日食

（4）关于平面镜、凹面镜、凸面镜的论述

在《墨经》中，墨子对平面镜、凹面镜、凸面镜等进行了相当系统的研究，并提出了几何光学的一系列基本原理。

①平面镜所形成的像大小相同、远近对称，但却左右倒换。

透镜成像原理

②假若两个或多个平面镜相互面对面照射时，则会出现重复反射现象，从而形成无数的像。

凹透镜

③凹面镜的成像是在球面镜的球心之内形成正像，即距“球心”远时则所形成的像大，距“球心”近时则所成像小；如果在“球心”中间，像与物就相同大；如果在“球心”之外，则形成的是倒像，这时，距“球心”近，所成之像大，距“球心”远，所成之像小。

④凸面镜的成像只形成正像，近镜像大，远镜像小。在这里墨子所说的“球心”是指球面镜的球心。尽管这时的墨子，把球心与焦点混同在一起来论述，尚未区分出球心与焦点的差别，但是其所得出的结论与近现代球面镜成像的原理基本上一致的。

光具座上的凸透镜

知识小百科

光的色散趣味实验

英国物理学家牛顿1665年首次发现太阳光通过三棱镜后,会分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色,并称这种现象为光的色散。其实光的色散的物理属性是白光经玻璃两次折射和一次反射。因此色散现象跟玻璃的折射率与入射光波长有关。现在,我们不通过玻璃三棱镜也来做做光的色散及彩虹实验。光的色散实验一:取一只200毫升无色玻璃烧杯,洗净后倒入1/3容积的清水。另取一块面积为2×2平方厘米平整的镜子,斜搁于烧杯壁上,与杯底成30°～60°角。将烧杯置于阳光射入的靠窗口桌子上。当阳光射至杯内镜面上时,由于水与镜面构成了一只水棱镜，反射后,在白墙上能清晰观察到有规则的七色彩带。如果镜面不平整,那么白墙上就会出现不规则的五彩缤纷的花纹。光的色散实验二:取一只500毫升无色玻璃杯,洗净后倒入1/3容积的清水。将烧杯置于阳光射入的窗口,手提杯,杯下垫放一张白纸。当太阳光透过杯中的水后投到白纸上,就可清晰地显现圆弧形彩色条纹,并会呈现有规则地排列。圆弧最外层为红色,最内层为紫色。圆弧的大小随水杯与白纸间距离大小而变化。光的色散表现在自然界中就是彩虹。

光的显色性趣闻

日常生活中，我们经常碰到这样的情景，如物体在不同光源下呈现颜色的深浅不一；在不同的室内灯光下观察人的皮肤颜色会与真实颜色呈现差异。酒店与餐厅偏向用偏红的灯光营造暖色调的环境，医院或者仓库则多用冷色调的蓝色等。

显色性

人类对颜色进行比较，通常是把物体放在一起，然后在自然光（太阳光）底下观察。尽管蜡烛、白炽灯和其他光源都可以用作照明，但人们都习惯在自然光（太阳光）下对颜色进行比较。物体在太阳光照射下，会显示它的真实颜色，但当物体在非连续光谱的电灯的照射下，颜色会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的“显色性”。

在日常生活，我们能接触到许多不同类型的照明光源，如白炽灯、荧光灯和LED等。此外，荧光灯和LED都出现了“白”和“暖白”等系列产品。我们不难发现，物体在不同的荧光灯和 LED（发光二极管）照明光源下颜色会产生差异。我们分别用高显色性的D50荧光灯、带有“自然白”标志的荧光灯和LED三个光源照明物体。在人们看来，它们都发白光，但自然白荧光灯的色温要稍高一些，肉眼看起来略微发蓝。在通常情况下,我们衡量光源显色性的普遍方法是计算显色指数。按CIE（国际照明委员会）的规定，光源的显色指数是待测光源下物体的颜色与参考标准下物体的颜色的符合程度的度量，并且把普朗克辐射体作为低色温光源（小于5000K）的参考标准，把标准照明体D50作为高色温光源（大于5000K）的参考标准。光源的色温（相关色温）和显色性是评价光源的颜色特性的重要参数。下面，我们通过用分光辐射亮度计CS-2000上配备一个亮度适配器，对三个光源进行了测量，得到三个点的色温坐标和相关色温值。我们通过下面的xy色品参数比较测量点，你会发现它们色坐标点很接近，且都在可见光范围内。

这就是光的“显色性”原理。