光学理论溯源
光学是现代科学的一门重要分科，渗透到人类社会生活的各个领域，显示出了越来越大的威力。光学的发展有它悠久的历史。在光学发展的道路上，我国古代曾经做出过重大的贡献。
大约2450年前我国杰出的科学家墨翟和他的学生作了世界上第一个小孔成倒像的实验，解释了小孔成倒像的原理。虽然他讲的并不是成像而是成影，但是道理是一样的。
在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现了一个倒立的人影。为什么会有这奇怪的现象呢？墨家解释说，光穿过小孔如射筋一样，是直线行进的，人的头部遮住了上面的光，成影在下边，人的足部遮住了下面的光，成影在上边，就形成了倒立的影。这是对光直线传播的第一次科学解释。
墨家还利用光的这一特性，解释了物和影的关系。墨家还从光线直线传播的原理解释了投影和半影的现象。14世纪中叶，元代天文数学家赵友钦在他所著的《革象新书》中进一步详细地考察了日光通过墙上孔隙所形戍的像和孔隙之间的关系。他发现当孔隙相当小的时候，尽管孔隙的形状不是圆形的，所得的像却都是圆形的；日食的时候，像也有缺，和日的食分相同；孔的大小不同，但是像的大小相等，只是浓淡不同；如果把像屏移近小孔，所得的像变小，亮度增加。对于这一现象，赵友钦经过精心思索和研究，得出了关于小孔成像的规律。他认为孔相当小的时候，不管孔的形状怎样，所成的像是光源的倒立像，这时孔的大小只不过和像的明暗程度有关，不改变像的形状。当孔相当大的时候，所得到的像就是孔的正立像。
光是沿直线传播的，但是在光的前进方向上遇到物体的时候，就会发生反射现象。我国在3000年前就制造和使用铜镜，并且很早就对光的反射有深刻的认识。
从农历的月初到月底，人们看到月亮从上弦月到圆又到下弦月，周而复始地变化着。月光是从哪儿来的呢？是月球本身能够发光吗？远古时代，人们以为月亮是能够发光的。但是大约在公元前4世纪以前，我国就知道了月亮本身是不发光的，它的光是日光照射在月面上所引起的反射光。为了说明月光是日照射的结果，宋代科学家沈括曾经做过圆球受光的实验。他用一个弹丸（代表月球），一半涂粉（表示月球受太阳光的一面），这样“侧视之则粉处如钩，对视之则正圆”，（《梦溪笔谈》卷七）说明了月的圆缺的道理。
在利用平面镜的同时，人们又发现了球面镜的奇特现象。球面镜有则面镜和凸面镜两种。认识凹面镜的聚焦特性，利用凹面镜向日取火，在我国有悠久的历史。在古代，我国把凹面镜叫做“阳燧”，意思就是利用太阳光来取火的工具，这是太阳能的最初利用。早在公元前5世纪，墨翟和他的学生就对凹面镜进行了深入研究，并且把他们的研究成果，记载在《墨经》一书中。
沈括还在前人研究的基础上，正确地表述了凹镜成像的原理。他在《梦溪笔谈》卷三中指出：用手指放在凹面镜前成像，随着手指和镜面的距离远近移动，像就发生变化。沈括用这个事例说明了凹面镜成像和焦点的关系。当手指迫近镜面的时候，得到的是正立的像；渐远就看不见像，这就是因为手指在焦点处不成像；超过了焦点，像就变成倒像。他指出四镜“聚光为一点”，他把这点叫做“碍”，就是近代光学上所谓焦点。他并且用窗隙（小孔成像）、摇橹的小支柱、腰鼓的最细处来“阳隧照物皆倒，中间有碍故也。”“如人摇橹，桌为之碍故也。”“又如窗隙中楼塔之影，中心为窗所束，亦皆倒垂，与阳燧一也。”“阳隧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。其无所见处，正如窗隙、橹臬、腰鼓碍之，本末相格”。
光学的生活运用
一、影子与投影
1．影子
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：“影不徒”。
《墨经》亦讨论了具体的影子，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。
2．影迎日现象
《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”现象。另外，《墨经》也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。
3．小孔成像实验
《墨经》在光的直线行进问题说中指出，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时会发生交错。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，因此成影就在上面；而人的头部遮挡了上面的光，成影就在下面。
4．凸凹镜面成像
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甚么也看不见了﹔一旦走过“中”并继续前进时，又看到一个放大的正像。不过由于记录没有用物与屏，因而没有观察到在球心与焦点之间的成像情形。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。
二、大自然与古代光学
1．月圆月缺
沈括在回答有关日、月、形、体及月为何有光的问题时，肯定地说，“日月之形如丸”，“月本无光”，“日耀之乃光耳”（《梦溪笔谈》卷七）。同时他还指出，每逢月初，太阳在月旁边，因此人们见到月亮的光明部分如同弯钩；以后太阳离月亮渐渐地远起来，太阳变成斜照月亮，因此看到月亮逐渐变成一个圆。
值得指出的是沈括第一次以一个圆球模型来演示月亮圆缺的道理：将该球的半个球面涂上银粉，另半球是黑的。当人们正对涂银粉的半球观察时，光亮面正好是一个圆；当人们侧视它时，光亮面就如同弯钩。
2．发现彩虹
中国人对雨虹的认识也有很长一段历史。最初，人们观察到雨虹现象，只能是粗浅地记述它的位置和形成的季节、条件。从唐代起，对虹的科学认识才有很大的进展。唐人孔颖达（574-648年）指出：“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”
沈括以自己亲身对虹的观察，不仅肯定前人的有关结论，而且指出，只有顺着太阳照射的方向才能看见雨虹，如果对着烈日耀眼的太阳看，就什么也看不到。（《梦溪笔谈》卷廿一）在西方，类似唐人对彩虹的观察结论，要到13世纪才见之于史籍，比中国人大约晚了600余年。
3．塔影倒立
在沈括以前，民间曾流传一种谬说：塔影倒立是因为大海翻腾的缘故。这里的“塔影倒立”是指通过窗隙小孔的寺塔影子。沈括对此科学地解释说：鹰在空中飞翔，它的影子随鹰而移动，如果在鹰与影子之间有一小窗孔，那么光线穿过小孔时，影子的移动与鹰的飞行方向相反。即鹰往东飞，影子往西移；鹰往西飞，影子往东移。寺塔通过窗孔的影子，是倒立的，其道理与此相同，也与凹面镜成像的道理相同，这些都是自然界常见的现象。
4．红光验尸
沈括汲取前人的光学知识，对“红光验尸”的方法也有研究。当法官在判断死者属他杀，并在死者身上寻找证据时，他杀的痕迹并非一目了然。
沈括记载了某些知县的断案经验：先以酒糟液（类似酒精的功用）或草木灰水擦洗死者皮肤，然后将尸体放于阳光照射的红色雨伞下，死者被鞭笞的痕迹历历可见。
从光学的角度看，这种方法所以能见死者伤痕，是因为红雨伞起了滤光片作用。太阳光透过红雨伞后，只剩红光，其余色光均被雨伞过滤，于是伤痕的青紫色在红光照射下，就更容易被看出来。
三、投影与皮影戏
影戏的制作起先不过是剪纸，后来发展到以羊皮雕刻形体，进而又演变为羊皮形体的四肢、头颈都可活动。这就是中国历史上有名的“皮影戏”。它在中国诞生以后，辗转传播到世界各地，并且成为世界的科学文化财富。影戏的制作起先不过是剪纸，后来发展到以羊皮雕刻形体，进而又演变为羊皮形体的四肢、头颈都可活动。这就是中国历史上有名的“皮影戏”。它在中国诞生以后，辗转传播到世界各地，并且成为世界的科学文化财富。
1．原始的灯焕
早在战国时期，中国人发明了最原始的幻灯。据《韩非子·外储说》记载：有一位画家，专门在豆荚内膜上作精细图画。他筑上板墙，在木板上凿小孔，日始出时将荚膜画贴于小孔，于是在板屋内墙上龙蛇车马历历可见。现代的幻灯所需的三个条件：光源、底片与屏幕，在《韩非子》的记述中一一具备，其光学原理也完全相同，中国古代人发明这种幻灯，不仅因地制宜，就地取材，其时间之早是其他文明古国所不能相比的。
2．皮影戏来源
皮影戏在中国起源于汉代。让灯光照射于屏幕，将木偶一类物体在灯前舞动，其阴影就投在屏幕上。真正的影戏大概始于唐宋年间。它是汉代方士齐少翁影戏法发展的结果。只要让“影人”或“影物”像木偶一样地表演动作，那么屏幕上就能出现栩栩如生的影子。据说，这样的影戏在宋代京城深受男女老幼的喜爱，“儿童喧呼，终夕不绝”。当表演者边表演、边说唱，每当演到悲伤的情节时，还有人为之哭泣。
四、迷惑的光学现象
1．小儿辩日的光学现象
“小儿辩日”叙述两个小孩争论太阳究竟在早晨还是在中午距地面近。这个有趣的光学故事在中国流传了2000余年。故事出自《列子·汤问》一书，其大意是：孔子远游在外，有一天他见两个小孩斗嘴，便好奇地走过去，寻问他们辩论什么。
其中一小孩说：“我认为，日初出时日距地面近，中午时距地面远。”
另一小孩接着说：“不对！日初出时距地面远，中午时距地面近。”
一小孩又解释说：“日初出大如车盖，中午时如盘似碟。这不是远者小近者大吗？”
另一小孩也解释说：“日初出凉凉爽爽，中午时热如沸汤。这不是近火者热远火者凉吗？”
孔子听后，不能判断谁是谁非。于是，这两个儿童取笑孔子：“谁说你知识渊博？”
2．峨嵋宝光与海市蜃楼
（1）峨嵋宝光。“峨嵋宝光”是在高山顶上见到的光学奇景。在中国四川峨嵋山上所见居多，故而如此称之。它又称五彩光环或山地宝光。实际上，它是射进云雾表层的太阳光的衍射光环。它的产生必须有两个物理条件：一是太阳光；二是在观察者的脚下有云雾。
当山顶或观察者头部的影子既落在距离较近的下方云层或雾带上，又恰好落在衍射光环的中心时，观察者将见到令人兴奋而惊讶的奇观：山顶或观察者头部的影子会被披上了一层层彩色光环。
（2）海市蜃楼。海市蜃楼的形成是由于大气层中空气的密度不同，当光线经过时会发生折射，甚至全反射，于是，远处的景物就显示在空中或地面，从而造成奇幻异景。这种现象常常发生在海边和沙漠地带。若在海边或海上发生，称为上现蜃景，即在空中形成正立的幻景；若在沙漠地带上发生，称为下现蜃景，即在地面形成倒立的幻景。因为高空气流往往改变大气层的疏密程度，当大气层的疏密程度一旦改变，折射路径也随之变化，蜃景就可能立即消失。因此，海市蜃楼的出现往往变幻莫测。
