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2009-03-06 22:58 |
光學發(fā)展與光學儀器的應(yīng)用
一.中國古人對光的認識和簡單光學儀器 1H.;r(c
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與古老的力學一樣，中國古人對光現(xiàn)象的認識及光學儀器的發(fā)明創(chuàng)造應(yīng)用方面，走在了世界的前列。中國最古老的文字“明”就是由人類最原始的光源“日”和“月”構(gòu)成的，成語“形影不離”和“形影相吊”形象地說明了物體與影子的關(guān)系。早在公元前五世紀,學者墨翟對幾何光學就有了較全面的研究,他在《墨經(jīng)》一書中較為詳細地記敘了影的定義和生成,光與影的關(guān)系以及平面鏡、球面鏡中的物像關(guān)系。其中引用了物點和像點的概念沿用至今，他用光的直線傳播原理成功地解釋了小孔成像現(xiàn)象，他在書中寫道：“景，光之人，煦（照）若射。下者之人也高；高者之人也下。足敝（蔽）下光，故成景于上；首敝（蔽）上光，故成景于下�！币馑际钦f：“光向人照去，好像射箭那樣直進，通過小孔成像，見到人的下部在高處，人的高部在低處。其原因是：足遮住了下部的光線所以成影在上，頭遮住了上部的光線所以成影在下�！边@是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最早最詳實的有關(guān)光成影現(xiàn)象最科學的文字記錄。 7;@YR
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我國古人在相當長的時間里還把影子當作“時鐘”來使用，我國古代稱之為“晷”，至今在北京的故宮里還可以看到這種日晷。三國時期的孫策取信于太史慈，“立桿于營門以候日影”約定日中等他的故事家喻戶曉。我國不但有人類最早的日月蝕記錄，而且在日月蝕觀測和推算預(yù)報方面的成就也是舉世公認的，這雖然屬于天文學的范疇，但它的基本原理卻是成影理論的具體應(yīng)用。 !wE% <Fh
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在原始社會初期，火的發(fā)明不亞于近代的蒸汽機和現(xiàn)代的原子能，人們除了用火作為燃料和取暖外，火顯然是一種主要的人造光源。然而古人還發(fā)現(xiàn)了一種“有火之用，無火之熱”的冷光源---山間叢林的磷光（俗稱“鬼火”）和螢火蟲兒的螢光。我國古代小說中就有窮書生無錢買油，聚螢為燈，徹夜攻讀而功成名就的故事。 <(TAA15Xol
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到了周代有人就利用“陽遂”（凹面鏡）進行取火，《莊子》里記載道：“陽遂見日，燃而為火”。至于利用靜止的水面作為鏡子的例子則更多，有西施浣沙的傳說，猴子撈月的故事，《儒林外史》中的范進，他的岳父胡屠戶則要范進“撒泡尿照照自己”。晉朝有一個“杯弓蛇影”的成語故事，樂廣他就知道是墻上掛著的弓在酒杯里產(chǎn)生了折射引起的影子，嚇壞了他的朋友，于是他再次請客說明原委，終于治好了客人的心病。 EP;ts
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北宋時代的科學家沈括留給后人的綜合性科學巨著《夢溪筆談》，堪稱是我國古代的一本百科全書，他把小孔成像歸納為“影入窗隙則倒，乃其常理。”沈括在書中對凸面鏡和凹面鏡的成像規(guī)律進行了詳實的記載，并最早揭開了被世人稱為“魔鏡”的“透光”原理。關(guān)于光的色散現(xiàn)象的研究和實驗可以說是到了普及的地步，如果說唐朝詩人孔穎達的“日照雨滴則生虹”是正確地詮釋了虹的成因的話，那么同時代文人張志和的一句“背日噴水成虹霓”，則實在是一個精彩絕倫的“人造虹”演示實驗。 < ~CY?
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對于平面鏡成復(fù)合像的情況，西漢《淮南萬畢術(shù)》中說“取大鏡高懸，置水盆于其下，則四鄰見矣”，這可以說是世界上最早的潛望鏡了。至于前幾年市場上流行的一種“美人杯”，其實早在宋朝就發(fā)明了，當時稱為鯽魚杯，當杯子盛酒后見杯內(nèi)“有一鯽長寸許，游泳可愛…… ”其原理是，杯子不盛酒時，繪制的鯽魚在杯底的凸透鏡焦點之外，眼睛看不到鯽魚的實像。盛酒后，酒與杯底凸透鏡組合成一個復(fù)合透鏡，使焦距增大，鯽魚的畫在復(fù)合透鏡焦點之內(nèi)，這時人眼就看到了杯底被放大了的鯽魚虛像。 }8l+Jd3"
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幾何光學的逐步建立和完善，實際上是和成像光學儀器特別是復(fù)合透鏡的開發(fā)應(yīng)用是相輔相成的，古人在制造和使用簡單的光學儀器(平面鏡、球面鏡及透鏡)的過程中逐漸加深了對光的認識�，F(xiàn)今涉及人類各個領(lǐng)域的光學成像儀器，包括放大鏡、望遠鏡、顯微鏡、電影機、幻燈機、照相機等，其原理與結(jié)構(gòu)與幾百年前大同小異。只不過在使用范圍和制造工藝上有了很大的提高，使人們能夠“看”得更遠，“看”得更小。當今世界上最著名的光學成像設(shè)備，首推哈勃空間望遠鏡，它的重量達11.75噸，自從1990年送入太空軌道后已經(jīng)拍攝了幾十萬張?zhí)祗w圖像，為人類帶來了許多包括土星在內(nèi)的許多新發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過93年的維修后至今還在為人類服務(wù)。 `Ivt )T+n;
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二. 十七世紀后光學研究與光學儀器的使用 .e5@9G.jb
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在十七世紀以前，人們對光的認識還是比較粗淺的，簡單的光學儀器開始在日常生活中加以應(yīng)用。1608年，荷蘭眼鏡工匠李普賽從兩個頑童偷玩他的兩個鏡片，無意中小孩發(fā)現(xiàn)了一只蒼蠅被高倍放大的像，聰明的眼鏡師發(fā)明了世界上第一架望遠鏡并申請了專利權(quán)，有關(guān)資料至今還保存在海牙檔案館。四十四歲的伽利略，當時已經(jīng)是一位名氣很大的意大利物理學家，當他聽到李普塞發(fā)明了望遠鏡后，親自磨制透鏡，幾個月內(nèi)就研制成由凸透鏡當目鏡，凹透鏡當物鏡，能放大三十多倍的精巧望遠鏡，后人稱“伽利略望遠鏡”。與伽利略同時代的德國天文學家開普勒則設(shè)計了一種物鏡和目鏡都是凸透鏡的新型望遠鏡，人們稱為“開普勒望遠鏡”。望遠鏡的發(fā)明和使用，不僅縮短了人類與天體的距離，而且對天文學的發(fā)展有著不可估量的貢獻，世界上第一架顯微鏡則是有荷蘭眼鏡制造商詹森在1625年發(fā)明的。 'HfI~wN
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奠定幾何光學實驗基礎(chǔ)的人也是開普勒，他所處的時代正是意大利文藝復(fù)興時期，當時的畫家們?yōu)榱颂岣呃L畫的透視感，就把光線比作幾何直線。開普勒受到這些啟發(fā)，用幾何學的原理去研究光學，1611年他發(fā)表了幾何光學的經(jīng)典著作《折光學》。1642年伽利略因宣傳哥白尼日心說被教會長期監(jiān)禁，這位對幾何光學做出重大貢獻的天文學家含冤去世。就在這年的圣誕節(jié)，一位劃時代的科學巨匠、 經(jīng)典力學的創(chuàng)始人牛頓誕生了，他對光學發(fā)展所起的作用也同樣被載入史冊。 Y:+:>[F
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1666年，年輕的牛頓在做光的折射實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)同一玻璃棱鏡對不同顏色光有不同的折射率。進一步的研究他發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象,牛頓用三棱鏡把太陽光（白光）分成了七種顏色,又把三棱鏡將七種顏色合成為白光，這個實驗的成功開創(chuàng)了現(xiàn)代“光譜分析學”的基礎(chǔ)。牛頓關(guān)于光的顏色的解釋理論，擺脫了人們的主觀視覺印象對物體顏色認識的長期困擾。1668年，26歲的牛頓因研制成世界上第一臺反射式望遠鏡而被入選為英國皇家學會會員。他的另一個精彩實驗是用一個精密磨制的曲率半徑很大的凸透鏡的凸面，壓在一個十分光潔的平面玻璃板上，在日光的照射下，中心的接觸點是一暗點，周圍是一些明暗相間的彩色同心圓。后人稱它為“牛頓環(huán)”。 &<#1G
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當時以牛頓為代表的光的微粒說和惠更斯領(lǐng)導(dǎo)的波動說，對光本性的解說是十分對立的，表面上看來互不相容，但它們還是有共同點,即承認光是一種物質(zhì)并且處于運動狀態(tài)以特定速度傳播。那么光的速度究竟有多大？如何測出光速，許多科學家一直為之探索。 $A74V [1^
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最早用實驗方法測定光速的是伽利略，雖然未成功，但其原理被法國人菲索所采用，1849年他測出的光速與1676年丹麥天文學家羅默用天文學方法測出的結(jié)果相似，已經(jīng)與現(xiàn)代測量的數(shù)值非常接近。光速的成功測定，使人們對光的本性認識起到了很大的推動作用。 Vm@VhCsp
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隨著對電磁波理論的進一步研究和無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)電磁波與光有很多類似的性質(zhì)，如反射、 折射、干涉、衍射、偏振等，不同顏色的光只是對應(yīng)于不同的頻率。繼后隨著紅外光、紫外光、X光、γ射線的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，人們才逐漸地明白了整個電磁波譜就象是一個龐大的“家族”，人們才知道自己的眼睛所能看到的可見光，只不過是這個大家族的一個很小的部分。因些人類的眼睛從某種意義上可以這樣認為，它是一個電磁波接收儀器，只不過它的接收的頻率范圍很窄罷了。人們從透鏡成像實驗規(guī)律中逐漸地了解到了自己的眼睛，它的光學成像系統(tǒng)就像一只可以變焦的照相機，所以現(xiàn)代醫(yī)學保護和修復(fù)眼睛的方法實際上把一個透鏡光學鏡頭與人眼本身的晶狀體鏡頭組合進來的復(fù)合光學成像系統(tǒng)。 @o@SU"[?_
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人們對光的認識遠沒有達到十分滿意的結(jié)果，但人們對光的研究和它的應(yīng)用卻從來沒有停止過，特別是近幾十年來，光學發(fā)展進入了一個日新月異的新時代，無論在發(fā)展的速度上還是在發(fā)展的規(guī)模上都是史無前例的�，F(xiàn)代光學的發(fā)展促進并產(chǎn)生了一系列新的學科分支，同時也極大地推動了現(xiàn)代光學系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 d72( g$F
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三.現(xiàn)代光學的迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用 K; hP0J
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現(xiàn)代光學已經(jīng)發(fā)展成為一門相互交叉相互滲透，涉及到各個領(lǐng)域的綜合性學科。其中包括研究光學成像系統(tǒng)的像差、色差、像散、畸變和校正的成像光學儀器學；研究光的照度、亮度等的光度學；把數(shù)字技術(shù)和通訊理論相結(jié)合的“傅里葉光學”；并且產(chǎn)生了信息光學和纖維光學；還有量子光學、非線性光學、相干光學、激光光譜學等等。光學已經(jīng)成為現(xiàn)代科學技術(shù)最活躍前沿領(lǐng)域之一。 *S <I!7Q
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