一、与光有关的诗句不知明镜里，何处得秋霜(平面镜成像)举杯邀明月，对影成三人(光的直线传播)会当凌绝顶，一览众山小(光的直线传播)一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红(光的反射、光的色散、光的折射)黑云压城城欲摧，甲光向日金鳞开(光的反射)

　　1、 取火的方法和对火的认识

　　我国古代取火的工具称为“燧”，有金燧、木燧之分。金燧取火于日，木燧取火于木。根据我国古籍的记载，古代常用“夫燧”、“阳燧”（实际上是一种凹面镜，因用金属制成成， 所以统称为“金燧”）来取火。古代人们在行军或打猎时，总是随身带有取火器，《礼记》中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的记载，表明晴天时用金燧取火，阴天时用木燧取火。阳燧取火是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。讲到取火，古代还用自制的古透镜来取火的。公元前2世纪，就有人用冰作透镜，会聚太阳光取火。《问经堂丛书》、《淮南万毕术》中就有这样的记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”我们常说，水火不兼容，但制成冰透镜来取火，真是一个奇妙的创造。用冰制成透镜是无法长期保存的，于是便出现用玻璃或玻璃来制造透镜。

　　《华严经》菩萨问明品 记载“勤首菩萨以颂答曰： 如钻燧求火，未出而数息，火势随止灭，懈怠者亦然。如人持日珠，不以物承影，火终不可得，懈怠者亦然”。

　　2、针孔成像和影的认识

　　公元前4世纪，墨家就做过针孔成像的实验，并给予分析和解释。《墨经》中明确地写道：“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。”这里的“午”即小孔所在处。这段文字表明小孔成的是倒像，其原因是在小孔处光线交叉的地方有一点（“端”），成像的大小，与这交点的位置无关。从这里也可以清楚看到，古人已经认识到光是直线行进的，所以常用“射”来描述光线径直向前。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中也记述了光的直线传播和小孔成像的实验。他首先直接观察在空中飞动，地面上的影子也跟着移动，移动的方向与飞的方向一致。然后在纸窗上开一小孔，使窗外飞的影子呈现在窒内的纸屏上，沉括用光的直进的道理来解释所观察到的结果：“东则影西，西则影东”。墨家利用光的直线传播这一性质，讨论了光源、物体、投影三者的关系。《墨经》中写道：“景不徙，说在改为。”“光至，景亡。若在，尽古息。”说明影是不动的，如果影移，那是光源或物体发生移动，使原影不断消逝，新影不断生成的缘故。投影的地方，如果光一照，影子就会消失，如果影子存在，表明物体不动，只要物体不动，影子就始终存在于原处。墨家对本影、半影也作了解释。《墨经》中有这样的记载：“景二，说在重。”“景二，光夹。一，光一。光者，景也。”意思是一物有两种投影（本影、半影），说明它同时受到两个光源重复照射的结果（“说在者”，“光夹”）、一种投影，说明它只受一个光源照射，并且强调了光源与投影的联系（“光者，景也”）。与此相连，墨家还根据物和光源相对位置的变化，以及物与光源本身大小的不同来讨论影的大小及其变化。

　　3、对面镜的认识

　　墨子对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究，已发现了凹面镜焦点的存在。如墨家对凹面镜作了深入的观察和研究，并在《墨经》中作了明确、详细的记载。“鉴低，景一小而易，一大而正，说在中之外、内。”“低”表示深、凹之意；放在“中之内”，得到的像是比物体大而正立的。虽然他尚把球心和焦点混淆在一起，但这些实验是世界上最早的光学实验，具有重大的科学意义。李约瑟曾把墨子光学与古希腊光学进行比较，指出墨子的光学研究“比我们任何所知的希腊为早”，“印度亦不能比拟”。

　　北宋沈括对凹面镜的焦距作了测定。他用手指置于凹面镜前，观察成像情况，发现随着手指与镜面距离的远近变化，像也发生相应的变化。在《梦溪笔谈》中作了记载：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”说明手指靠近凹面镜时，像的正立的，渐渐远移至某一处（在焦点附近），则“无所见”，表示没有像（像成在无穷远处）；移过这段距离，像就倒立了。这一实验，既表述了凹面镜成像原理，同时也是测定凹面镜焦距的一种粗略方法。

　　墨家对凸透镜也进行了研究。《墨经》中写道：“鉴团，景一。说在刑之大。”“鉴团”即凹面镜，也称团镜。“景一”表明凸面镜成像只有一种。“刑”同形字，指物体，它总比像大。我们的祖先，利用平面镜能反射光线的特性，将多个平面镜组合起来，取得了有趣的结果。如《庄子·天下篇》的有关注解《庄子补正》中对此作了记载：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴，则重影无穷。”这样的装置，收到了“照花前后镜，花花交相映”的效果。《间经堂丛书》、《淮南万毕术》中记有“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”表明很早就有人制作了最早的开管式“潜望镜”，能够隔墙观望户外的景物。

　　此外，汉代发明的透光镜，能够反射出铜镜背面的精美图像，是中国古代光学的一大发明，现在仍引起中外学者的关注。

　　4、对虹的认识

　　虹是一种大气光学现象，从公元6世纪开始，我国古代对虹就有了比较正确的认识。唐初的孔颖达（574-648）曾概括了虹的成因，他认为“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”明确指出产生虹的3个条件，即云、日、“日照雨滴”。沉括对此也作过细致的研究，并作实地考察。在《梦溪笔谈选注》中写道：“是时新雨霁，见虹下帐前涧中。”予与同职扣涧观之，虹两头皆垂涧中。使人过涧，隔虹对立，相去数丈，中间如隔绡觳，自西望东则见；盖夕虹也。立涧之东西望，则为日所铄，都无所睹。”指出虹和太阳的位置正好是相对的，傍晚的虹见于东方，而对着太阳是看不见虹的。地虹有了认识之后，便可以人工造虹。8世纪中叶，唐代曾有过这样的试验：“背日喷呼水成虹霓之状”，表示背向太阳喷出小水珠，便能看到类似虹霓的情景。

　　5、墨经光学八条

　　墨翟（约公元前478年——前392年），是墨家学派的创始人。战国时期的政治家、科学家。他和他的门徒根据古代劳动人民在实践中认识到的光学知识，研究总结出八条带规律性的经验，记录在《墨经》中，分条厘说，通称“墨经光学八条”，是《墨经》中精粹部分之一。光学八条直接涉及到光学应用中一些问题。

　　发光体照射物体形成影子，是大自然中最普通的现象，又是摄影师在艺术造型中饶有兴趣的问题。《墨经》中的光学论述，首先是以此开始的。“光学八条”中的第一、第二条是：经：景徙。说在改为。说：景光至，景亡。若在，尽，古息。（第一条）经：景二。说在重。说：景，二光，夹，一光。一光者景也。（第二条）

　　大意是说影子产生的原因。在光照到的地方，就没有影子；如果有影子，那就是光被物体遮挡。进一步说，如果光源、物体和承影面相对静止，那么影子的位置也相对固定。当两个光源同时照射一个物体时，就产生了二个“半影”夹持着一个“本影”；一个光源照射时只有一个影子。这二条反映了古代人民对光学现象最朴素的认识。还有一条颇值得注意，它直接论述到针孔成像的原理。原文是：经：景到，在午有端；与景长，说在端。说：景光之人照若射，下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下。在远近，有端与于光，故景库内也。（第三条）

　　这条大意是说，影子倒过来是因为光线在小孔处汇成光束所致，“午”是指光束相交之点，即针孔处。光线好象箭一样直线传播着，从下方来的光线通过小孔成象于上方，从上方来的光线成像于下方。经说最后一句“在远近有端于光”，近代学者多解释为类似摄影光学中物距、像距的概念。“这可以说明现今照像者进退暗箱的理由”。第五条论述的是关于光的强弱关系。结论是：发光体远近决定光的强度。类似现代光度学概念。四、六两条是解释平面镜反射现象。

　　中国古代，冶炼技术十分发达。随之而来的是铜镜制造工艺，根据文字记载和考古的发现，当时的铜镜不仅有平面镜，而且根据不同用途制成了凸面镜或凹面镜，凹面镜，古称阳燧，是人们利用阳光聚焦取火的工具。古代没有专门掌管阳燧的官职，《周礼》卷七十《秋官·司寇下》记载：“司烜（音火。古官职名）氏掌以夫遂，取明火于日。”东汉郑玄注：“夫遂，阳燧也。”应该指出的是，凹面镜在现代应用摄影光学中占有重要地位。近来出现折反式摄影镜头，已进一步证明了这一点。古人已认识到物体放在球心外时，获得的是比物体小的倒立像。当物体在球心内时，得到的是比物体大的正立像。即经中所说“鉴低，景，一小而易，一大而击。说在中之外，内。 概括起来，可推断那时人们已经懂得：1 光的直线传播；2 影子的成因及变化规律；3 针孔成像的道理；4 针孔暗箱成像时，物、像大小取决于物距和像距的关系；5 类似放大率的概念；6 凹面反光镜前焦点到球心，这一区域在成像中的特殊意义。墨经光学八条，体现了先秦时期我国人民在科学研究方面的突出贡献。由于认识水平的限制，用今天的眼光看来，带有明显的片面性和不完整性。《墨经》的内容，尽管文字深奥难解，但学术界各家的注疏基本一致，其内容本身是不容置疑的。墨家学派形成后，开辟了中国的“格致之学”，对后人研究摄影光学有所启迪。

　　6、光学折射现象的发现

　　《墨经》中没有论及光线在不同介质中传播时产生的折射现象，这是因为当时的工艺制造条件，尚不能提供理想的透明玻璃，而折射现象直接关系到透镜成像理论基础。公元前139年西汉淮南王刘安主持编修的《淮南万毕术》中除了重复“阳燧见日则火生”的说法外，还出现了用冰制造透镜的记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影则火生。”另据《西京日记》记载，汉武帝（公元前140年——前87年）时，已知道用白光琉璃将阳光折入暗室使成为白昼。又据清代林志诚著《事类统编》称：北魏时（386——581）西域月氏国商人用矿石制成人造有色琉璃。曾做了一间可容百人的房子，四周利用人造琉璃折光，使室内光色映澈。及至宋代刘歧写的《暇日记》也谈到利用水晶折光将阳光焦聚，照亮阴暗的案牍。

　　北宋大科学家沈括（1031——1095），在他的著作《梦溪笔谈》中，进一步对小孔成像理论和凹面反光镜作了分析和解释，取得新的成果。他用生动的比喻说明小孔成像是因为光线穿过“碍”（即小孔）形成光束所造成的结果。以后，人们在日常生活里，多次观察到由于客观条件的巧合而形成的小孔成像现象，遂引起广泛的注意，而尤为历代文人所重视，古籍中也常有记载。元代陶宗仪的著名笔记著作《辍耕录》中说：“平江虎丘阁，版上有一窍。当日色清朗时，以掌大白纸承其影，则一寺之形胜，悉于此见之。但顶反居下耳，此固有象可寓，非幻出者。”又说：“松江城中有四塔……夏监运家乃在四塔之东，而小室内却有一塔影，长五寸许，倒悬于西壁之上，不知从何而来。然不常有，或时见之焉，是又不可晓也。

　　明代刘侗、于奕正著《帝京景物略》提到北京天宁寺中的小孔成像，并且做了一些解释。原文是“塔倒影，在大土殿。日方中，阖殿中门，日入门罅，塔全影倒现石上。昔人云：影从罅入，空中物则旁碍，碍则影束，影束则倒。……今悬镜中像，过旁镜，其物正倒也，阳燧倒影者，日光倒入也。又光从上来，层十三具，光一再传，物体则小也……。”明清时期的北京庙宇慈慧寺，也是当时以倒影著称而吸引游客的古迹。

　　“针孔成像”的现象，引起人们愈来愈大的兴趣。为了进一步研究，元代科学家赵友钦设计了一个相当庞大的光学实验。他把一整座房屋作为实验室。在左右隔开的二间房内，各掘一个不同深度圆井。井口处各置小孔，楼房的活动棚顶作承影屏，用上千支蜡烛做发光体。通过预先设计的实验程序得出以下结论：“针孔”扩大到相当大时，不能成像；“针孔”相当小时，屏上的像和光源形状相同，但方向相反；“照度”和距离成反比关系。

　　赵友钦把这次实验的过程和结果，写成一篇论文，叫《小罅光景》，收入他的自然学文集《革象新书》。这部书后来被收入明代编纂的大型类书《永乐大典》中。赵友钦的试验，使用了上千支蜡做发光体，在摄影学的意义上说明他已认识到像是由许多光点所构成。其实验场所可以说是最大的暗箱。赵友钦的论文《小罅光景》的学术水平当时在世界上是领先的。

　　明末清初的科学家方以智（字密之，号曼公。1611——1671），也在他所著的《物理小识》一书里叙述了他亲自做过的小孔成像实验：“屋漏小罅，日影如盘。尝以纸征之，刺一小孔，使日照一石，适如其分也；手渐移而高，光渐大于石矣；刺四、五穴，就地照之，而四、五穴各为光影也；手渐移而高，光合为一，而四、五穴之影，不可复得矣。”说明方以智的这个实验，是对于小孔成像的条件和影响影像大小的具体因素规律性的探索。

　　7、透镜暗箱

　　摄影术的发明和应用离不开暗箱。针孔暗箱虽能成像，但正如赵友钦实验结果那样，它存在着致命的缺点，即不能解决影像亮度和清晰度之间的矛盾。所以，透镜暗箱的出现，使光学应用技术前进了一大步。欧洲在文艺复兴时期，画家已广泛使用透镜暗箱，不过那时只作为一种绘画的辅助工具而已。明末清初，一些西方传教士来到中国，促进了中西文化的交流，随之，一些光学器具也开始传入中国。首先传入的是各种透镜，包括眼镜和放大镜。清代赵翼在《陔馀丛考》中说：“古未有眼镜，至明始有之，本来自西域。”清代以后，广东省出现了用近代方法制造玻璃的工业，为国内磨制光学透镜提供了物质条件。

　　清初的光学器具制造家孙云球，是中国磨制透镜的高手。孙云球，字文玉，又字泗滨。江苏吴县人。生于崇祯初年，死于康熙年间，仅活了33岁。他的父亲志儒，曾任福建漳州知府。孙云球小时聪明异常，13岁时就读于吴江县县学。不久父亲故去，家道中落，靠卖草药奉养母亲。他喜欢钻研机械，自制钟表，青年时代，就成了著名的透镜制造家。史书记载：“昔虎丘孙云球以西洋镜制昏眼、近光、童光等镜，为七十二种。又有远镜、火镜、端容镜、摄光镜、夕阳镜、显微镜……。”并著有《镜史》一书，可惜已经失传。证明当时国内已经能自制摄影镜头（即所称“摄光镜”），出现了一些用摄影镜头装配的光学器具，影戏灯就是其中之一。

　　所谓“影戏灯”，就是现在所说的幻灯机，或摄影用的放大机。其实，我国早在公元前三世纪时的古籍《韩非子》中就记载了古人放映幻灯的一段故事。大意是：周君请一个人为他作画，三年后画画好了。看的时候，需要筑一高墙，墙上开小孔，然后插入“筴”（相当于幻灯片），在有阳光的时候才能观看，“尽成龙蛇禽兽车马，万物之状具备。”可惜的是，这种针孔的幻灯机没有得到发展和改进。

　　清代学者顾禄（铁卿）曾记载了当时流传于民间的影戏灯的情况，他说：“其法皆传自西洋欧逻巴诸国，今虎邱人皆能为之。灯影之戏，则用高方纸木匣，腹贮油灯，燃炷七八茎。其火焰适对正面之孔。其孔与匣突出寸许，作六角式，须用摄光镜重叠为之，乃通灵耳……中嵌玻璃，反绘戏文……将影摄入粉壁，匣愈远而光愈大，惟室中尽灭灯光，其影始得分明也……。”有趣的是，文中提到“须用摄光镜重叠为之”说明使用的是“复式镜头”，而这时恰恰是欧洲风景暗箱流行的时期，当时复式镜头在世界上标志先进的光学技术水平。

光源自宇宙形成就有了，比如会发光的星体就是最早的光源。古人对光源的认识和利用，最初是从人造光源与自然光源，热光源与冷光源等开始的。

我国古代对光源的认识起步很早，并能及时充分地加以利用，是古代物理学方面的一项重要成果。

汉代时，少年时的匡衡，非常勤奋好学。

由于家里很穷，所以他白天必须干许多活，挣钱糊口。只有晚上，他才能坐下来安心读书。不过，他又买不起蜡烛，天一黑，就无法看书了。

匡衡心痛这浪费的时间，内心非常痛苦。

他的邻居家里很富有，一到晚上好几间屋子都点起蜡烛，把屋子照得通亮。匡衡有一天鼓起勇气，对邻居说：“我晚上想读书，可买不起蜡烛，能否借用你们家的一寸之地呢？”邻居一向瞧不起比他们家穷的人，就恶毒地挖苦说：“既然穷得买不起蜡烛，还读什么书呢!”匡衡听后非常气愤，不过他更下定决心，一定要把书读好。匡衡回到家中，悄悄地在墙上凿了个小洞，邻居家的烛光就从这洞中透过来了。他借着这微弱的光线，如饥似渴地读起书来，渐渐地把家中的书全都读完了。匡衡读完这些书，深感自己所掌握的知识是远远不够的，他想继续看多一些书的愿望更加迫切了。附近有个大户人家，有很多藏书。一天，匡衡卷着铺盖出现在大户人家门前。他对主人说：“请您收留我，我给您家里白干活不要报酬。只是让我阅读您家的全部书籍就可以了。”主人被他的精神所感动，答应了他借书的要求。匡衡就是这样勤奋学习的，后来他做了汉元帝的丞相，成为西汉时期有名的学者。这个著名的“凿壁偷光”故事，体现了我国古代劳动人民利用热光源的聪明和才智。光源是光学研究的基本条件，我国古代对热光源与冷光源，自然光源与人造光源等方面都有一些值得称道的知识。人造光源是随着人类的文明、科学技术的发展而逐渐制造出来的光源，按先后出现顺序分别有了：火把、油灯、蜡烛和电灯等。

作为自然光源，当然是以太阳为最重要，在夜晚还有月亮。我国古代在甲骨文中表示明亮的“明”字，就是日、月形象的组合。太阳实际上就是一团火。古人十分明确地指出：“日，火也。”

月亮也只是太阳光线的反射，《周髀算经》说道：“日兆月，月光乃生，故成明月。”所以在甲骨文字里干脆把“光”字写作像是一个人举着一把火的样子。取火方法的发明，使人们比较自由地获得人造光源，那当然都是热光源。在冷光源方面，不管对于二次发光的荧光还是低温氧化的磷光，我国古代都有不同程度的认识。

西汉时期的《淮南子》最早记载了梣木发光这件事。梣木含有某种化学物质，能发荧光。其水浸液在薄层层板上确实可以见到紫色、浅**等荧光。

《淮南子》的记载可以说是迄今所知对荧光现象的最早记载。此外，《礼记•月令》中也记载过腐败的草发荧光的事实。对于磷光，《淮南子•汜论训》说道：“久血为磷。”高诱注认为，血在地上“暴露百日则为磷，遥望炯炯若燃也”。东汉时期著名的思想家、文学理论家王充的无神论著作《论衡》也指出：“人之兵死也，世言其血为磷。”

这些看法是正确的。因为人体的骨、肉、血和其他细胞中含有丰富的磷化合物，尤以骨头中的含量为最高。在一定条件下，人体腐烂后体内的磷化合物分解还原成液态磷化氢，遇氧就能自燃发光。

西晋时期文学家张华所著《博物志》一书对于磷光的描写，尤其细微具体。作者已经不再把磷火说成“神灯鬼火”，而能够细微地观察它，明确指出它是磷的作用。这不能不说是一种有价值的见解。

北宋时期大科学家沈括《梦溪笔谈》也记载了一件冷光现象。记述了化学发冷光与生物化学发冷光两种自然现象。前者是磷化氢液体在空气中自燃而发光；后者咸鸭卵发光是由于其中的荧光素在荧光酶的催化作用下与氧化合而发光，而其中的三磷腺苷能使氧化的荧光素还原，荧光素再次氧化时又发光。

明代诗人陆容《菽园杂记》也记载了荧光与几种磷光的现象，并指出了磷光与荧光都是不发火焰的，因此可以归为一类。

清代科学家郑复光对此有一段很精彩的话：“光热者为阳，光寒者为阴。阳火不烦言说矣。阴火则磷也、萤也、海水也，有火之光，无火之暖。”认识又进了一步。

我国古代对于冷光光源的应用，首先是照明。早在西汉时期的《淮南万毕术》中就有“萤火却马”的记载，据这段文字的“注释”说，那时的做法也就是“取萤火裹以羊皮”。

五代时期道教学者谭峭的《化书》中曾言：“古人以囊萤为灯”。大约在那个时候专门制备有一种贮藏萤火虫的透明灯笼。

沈括《清夜录》记载这种称为“聚萤囊”的灯笼“有火之用，无火之热”，是一种很好的照明装置。至明清时期，人们把这种冷光源浸入水下以为诱捕鱼类之用。

明代的《七修类稿》记载：“每见渔人贮萤火于猪胞，缚其窍而置之网间……夜以取鱼，必多得也。”

清代的《古今秘苑》中记载：“夏日取柔软如纸的羊尿脬，吹胀，入萤火虫百余枚，及缚脬口，系于罾之网底，群鱼不拘大小，各奔光区，聚而不动，捕之必多。”

特别令人感兴趣的是，古代曾利用含有磷光或荧光物质的颜料作画，使画面在白昼与黑夜显出不同的图景。

宋代的和尚文莹在《湘山野录》一书记载过这样一幅画牛图：白昼那牛在栏外吃草，黑夜牛却在栏内躺卧。皇帝把这幅奇画挂在宫苑中，大臣们都不能解释这个奇妙的现象，只有和尚赞宁知道它的来历。

赞宁解释说，这是用两种颜料画成功的，一种是含磷光物质的颜料，用它来画栏内的牛；另一种则是含荧光物质的颜料，用它来画栏外的牛，则显出了前述那种效果。这可说是熔光学、化学、艺术于一炉，堪称巧思绝世。

据有关记载，这种技巧的发明至迟在六朝时期，或许可上溯至西汉时期，其渊源也许来自国外，至宋代初期几乎失传，经赞宁和尚指明，才又引起人们的惊异与注意，其术遂得重光，流传下来。后世有不少典籍记载这段故事，有的还有进一步的发展。例如南宋时期的《清波杂志》曾记述这样一件事：画家义元晖，十分精于临摹，有一次从某人处借来一幅画，元晖临了一幅还给藏主，把原件留了下来。过了几天，藏主来讨还真迹。元晖问他是如何辨认出来的。那人说，原件牛的眼睛中有一个牧童的影子，此件却没有。看来，这牛目中的牧童影也是利用掺有磷光物质的颜料画成的，所以一到暗处就显出来了。这种技巧后来只在少数画家中私相传授，做成的画叫作“术画”。在国外，英国的约翰•坎顿才使用这种技艺，这比起我国要晚1200多年。

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