1 一、我国古代的光学知识光学的起源也和力学、热学一样，可以追溯到二、三千年前我国的《墨经》就记载了许多光学现象，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等西方也很早就有光学知识的记载，欧几里得（Euclid ，公元前约 330－260）的《反射光学》 （Catoptrica）研究了光的反射，阿拉伯学者阿勒· 哈增（ Al-Hazen ，965~1038）写过一部《光学全书》 ，讨论了许多光学现象光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础光的本性也是光学研究的重要课题微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质19 世纪以前，微粒说比较盛行但是，随着光学研究的深入，人们发现了许多不能用直进性解释的现象，例如干涉、 衍射等， 用光的波动性就很容易解释，于是光的波动说又占了上风两种学说的争论构成了光学发展史中的一根红线我国古代的光学知识：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沉括在《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北宋沉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2 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”即燕面镜，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宋代的 《毛诗名物解》 中说过： “ 以不歕日，自侧视之，则晕为虹霓 强调必需从侧面观察，才能见到虹霓二、牛顿对光学的研究1、色散现象的早期研究色散也是一个古老的课题，最引人注目的是彩虹现象早在13 世纪，科学家就对彩虹的成因进行了探讨德国有一位传教士叫西奥多里克（Theodoric ），曾在实验中模仿天上的彩虹他利用阳光照射装满水的大玻璃球壳，观察到了和空中一样的彩虹，以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象不过，他进一步解释没有摆脱亚里斯多德的教义，继续认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起光的四种颜色：红、黄、绿、蓝，处于白与黑之间，红色接近白色，比较明亮，蓝色接近黑色，比较昏暗。
阳光进入媒质（例如水），从表面区域折射回来的是红色或黄色，从深部折射回来的是绿色或蓝色雨后天空中充满水珠，阳光进入水珠再折射回来，人们就看到色彩缤纷的景象笛卡儿对彩虹现象也有兴趣，他用实验检验西奥多里克的认述在他的 《方法论》 （1637）中还有一篇附录，专门讨论彩虹， 并且介绍了他自己做过的棱镜实验，如图所示他用三棱镜将阳光折射后投在屏上，发现彩色的产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成因为不论光照在棱镜的那一部位，折射后屏上的图象都是一样的遗憾的是，笛卡儿的屏离棱镜太近（大概只有几厘米），他没有看到色散后的整个光谱，只注意到光带的两侧分别呈现蓝色和红色1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功不过他解释错了他认为红色是浓缩了的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各种不同的颜色17世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略运用望远镜观察天体星辰，胡克用显微镜观察小物体，激起了广大科学界的兴趣然而，当放大倍数增大时，这些仪器不可避免地都会出现象差和色差，使人们深感迷惑人们不理解， 为什么在图象的边缘总会出现颜色？这和彩虹有没有共同之处？这类现象有什么规律性？怎样才能消除？这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。
他的老师中有一位数学教授名叫巴罗（Isaac Barrow,1630-1677），对光学很有研究牛顿听过他讲光学，还邦他写《光学讲义》牛顿很喜欢做光学实验，还亲自动手磨制透镜，想按自己的设计装配出差的显微镜和望远镜这个愿望激励他对光的颜色的本性进行深入的探讨2、牛顿对色散现象的思考牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示例如笛卡儿说过：“运动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害，”胡克描述过肥皂泡的颜色变化，认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象红色和蓝色是原色，其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成3 牛顿注意到这些说法的合理成分，同时也提出许多疑问在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问微压测高计思考，例如，他问道：如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快？为什么水比水蒸汽更清晰？为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？牛顿不满意前人（包括他的老师）对光现象的解释，就自己动手做起了一系列的实验3、牛顿的色散实验牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发，又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约60 厘米，玻意耳把棱镜散射的光投到1 米多高的天花板上，而牛顿则将距离扩展为6-7米，从室外由洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。
这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑牛顿高明之处就在下他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能，只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能，牛顿用棱镜做了如下的实验如图所示，在一张黑线上画一条线，半边为深蓝色，半边为深红色，比棱镜观看，只见这根线好象折断了似的，分界处正是红蓝之交，蓝色部分比红色部分更靠近棱脊可见蓝光比红光受到更大的折射为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性，牛顿又做了一个实验他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不一样，如图所示，倘若分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性，那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散性可是实验结果是，原来分散的各种颜色，经过第二个棱镜后又还原成白光，形状和原来的一样再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同光分合成为白光牛顿的这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的他预料会遭到科学界的反对，于是又做了一个很有说服力的实验牛顿把这个实验称为“判决性实验”，如图所示。
他拿两块木板，一块放在窗口紧贴棱镜处，光从平行进入后经棱镜折射穿过小孔，各种颜色以不同的角度射向另一块木板离约4 米远，板上也开有不孔，在后面也放有一块三棱镜，使穿进的光再折射后抵达墙壁牛顿手持第一块棱镜，缓缓绕其轴旋转，这样使第二块木板上的不同颜色的光相继穿过到达三棱镜实验结果是： 被第一块棱镜折射得最厉害的紫光，经第二块棱镜也偏折最多由此可见，白光确是由折射性能不同的光组成在色散实验的基础上，牛顿总结出了几条规律，即：1. 光线随其折射率不同，色也不同色不是光的变态，而是光线原来的、固有的属性2.同一色属于同一折射率，不同的色，折射率不同3.色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其它任何原因而改变4.必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色5.本身是白色的光线是没有的我，白色是由所有的光线按适当比例混合而成的色6.由此可解释棱镜形成各种色绵现象及彩虹的形成7.自然物体的色是由于对某种光的反射大于其它光反射的缘故8.把光看成实体有充分的根据三、光的波动说1678 年惠更斯向法国科学院提交了著作《光论》在书中，惠更斯把光波假设为一纵波，推导和解释了光的直线传播、 反射和折射定律，书中并末提到关于光谱分解为各种颜色的问题。
惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果，他认为光是一种问题冲量，他类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合波动说的复兴。