本章要义
光学是关于光和视觉的科学，早期只用于跟眼睛和视觉相联系的事物。今天常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。
光学分成几何光学、物理光学和量子光学。同时由于光学有着广泛的应用，所以一系列应用背景较强的分支学科也属于光学的范畴。
光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。
尾灯的故事
说起这个小小的尾灯，还有一段小故事。在20世纪30年代，自行车在英国风行一时，但英国是一个多雾的国家，自行车的出现给交通安全带来了很大的隐患。因此，英国政府为了想办法解决这个问题，悬赏征集建议。
解决问题的方案就是我们现在使用的尾灯。
尾灯看起来是一片塑料，其实作用和构造很巧妙。当汽车灯光照向自行车时，自行车的尾灯能强烈地发亮，引起司机的注意。你也许认为那与镜子的作用相同。其实不然，要想看见镜面发射的光，入射光线必须垂直于镜面，观察的人也必须正对着镜面，若光从侧后方照射时，由于光反射向另一侧，观察者就看不到反射光。
小平平时就很注意观察周围的事物，她非常想理解尾灯的原理，就找到自己的物理老师。于是，她的老师做了一个实验：把一个夹角为90°的偶镜直立在柜子上，让镜子的中间部分距地面的高度和人的眼睛距地面的高度相同。取一个手电筒，把它靠在人头部的一侧，让它和眼睛在同一水平线上。打开手电筒，让光线水平地入射到偶镜中，人会从偶镜中看到炫目的反射光线。不管你站在什么方向，只要保证光线沿水平入射，用光的反射定律可以证明，反射光线总是沿着原来的方向返回。老师说：“如果光线不沿水平入射，反射光也就不沿原路返回，而射向另外一个方向，这种情况怎么办呢？这并不难办，只要把三面相互垂直的镜面装在一起，就像一个箱子的一角一样，问题就解决了。”这种装置叫“角反射器”。三面镜子组成的角反射器有三条公共的棱边，相当于三个偶镜，因此光线无论从什么角度射到它上面，都会沿着原方向反射回来。
仔细观察尾灯的红色塑料片，上面有很多凸起的部分，每个凸起的部分都是一个角反射器。汽车的前灯照在它上面的时候，就能把光按原来方向反射回去。其实公路上的“猫眼”就是一些简易的角反射器。
“新知探索”
在天空飞行着的数十个人造卫星上，也都装有大大小小不同的角反射器。当从地面向月球或这些人造卫星发射激光时，无论月球或人造卫星运行到什么方位。这些角反射器总能把光线反射到原来发光的地方，在它们的帮助之下，地球上的人们可以精确地测定它们的距离、速度与加速度。
“眼界扩展”
月球上也有“猫眼”，这个“猫眼”就是角反射器。1969年7月，“阿波罗”11号的宇航员首次登上月球时，他们把角反射器装在了月球上。这个角反射器的质量是30千克，由100块熔融石英直角棱镜组成。自那次以后，又陆续送上去4块，它们的面积更大。
宝藏在知识里
古代有个财主，家中有世代相传的宝物，这个宝物的样子像一个铜制的圆筒，圆筒上顶着一个盖子，盖子上趴着一条龙，盖子和筒口之间有一段距离，他们能向筒里放东西，但看不到筒底，因为盖子挡住了视线。
听说在筒底刻着字，谁能看见那些字，就知道祖先留下的财宝在哪里。不过这只是祖辈传下来的一个故事，谁也没有真的相信，更不想弄坏这个传家宝来证实这个莫须有的传说。
当这个传家宝到了第十二代时，这个人终于想揭开谜底，他在没损坏宝物的情况下看到了筒底祖先刻下的字。
原来，一天他无意中把水倒进筒里，发现筒底好像升高了，透过圆筒和盖子的缝隙可以看到筒底的文字。上面写着：“宝藏在知识里。”
这个传说也许不是真的，但科学道理是对的。现在可以用一个实验来证实它：把一枚硬币放在一个搪瓷口杯里，把口杯放在桌子上向前推，直到看不见杯底的硬币为止。此时不要晃动你的头，向杯子里倒水。你会重新看见那枚硬币，觉得硬币升高了大约1/4.
其实这是光线耍的把戏，当光线从一种媒质斜射到另一种媒质的时候，会偏离原来的方向发生折射，才使你看到了硬币。实验指出：当光线从空气射向水的时候，光线靠近法线（和分界面垂直的线）；当光从水中射向空气的时候，光线远离法线。筒底的文字反射的光在从水里射向空气的时候，由于折射向筒边偏了一些，所以才能穿过盖子和筒边的空隙，使这位好奇的主人看到了它。
“眼界扩展”
光在不同的媒质里传播速度不同，就好像车子行在不同质量的道路上，在柏油路上的速度快，在沙石路上速度慢。假如我们把一辆两轮车斜着从平坦的道路推到沙土路上时，在道路的分界面上，车子会拐弯，原因是一个轮子会先遇到沙土，它的速度立即减下来，而另一个轮子按原来的速度前进，两个轮子的速度不同。等到两个轮子同时进沙子地后，车子又会沿直线方向前进。
“新知探索”
光线从空气中（精确地说是从真空中）进入某一种透明物质，传播速度减少得越多，折射得就越厉害。光在真空中的传播速度和某种媒质的速度之比称为折射率。水的折射率是1.33，普通玻璃的折射率是1.5.
钻石的光学魅力
小张和小关准备结婚了，小张想给自己爱人送一样代替心意的礼物，他左思右想，还是决定去商场买个钻戒。钻石戒指代表着高贵，价格不菲，小张听说现在有很多假钻石，于是，他请上了高中的同学，这位同学是这方面的行家，他向小张分析怎样辨别真假钻石。
他说：“钻石又叫金刚石，它的’出身’并不高贵，成分和煤一样，但是，由于只有在高压下，碳才会变成金刚石，所以天然的金刚石极为稀少。目前已经可以用人工的方法在高压下制成小颗粒的钻石。”
“对一般人来说，最感兴趣的是钻石的光学魅力。白天在阳光下，它光芒四射，八面生辉，变幻不定的七色彩虹璀璨夺目；在夜晚，由于没有光的照耀，任何东西都失去了光彩，唯独金刚石熠熠放光。’夜明’使金刚石又蒙上了一层神秘的色彩。”
“其实，天然的金刚石并不这样美丽，必须经过加工磨制。例如钻石的某一种样式，它有五十多个棱边。装饰在英王杖上的一颗取名为’非洲之星’的名钻有74个棱面。从一开始人们不知道怎样加工这种世界上最硬的东西。”
这位同学说：“磨这么多的棱边不仅是赋予金刚石一个美丽的外形，其中还有许多光学的奥秘，在当时人们并不了解其中的科学道理。”
“如果把普通玻璃也磨成这种形状会不会有这种效果呢？钻石的独到之处是对光的折射率在所有透明物质中名列榜首。当光线从一种媒质进入另一种媒质，由于在两种媒质中的传播速度不同就会发生折射。折射率大的物质，不仅能把光线折射一个大角度，而且很容易出现全反射现象。实际上，钻石的魅力都源于它的全反射能力。”这位同学分析道。
“夜晚，如果屋子里没有光，但是，外面的远处某些地方肯定有光。当这些光射入到钻石后，由于金刚石的透光本领特强，折射率最大，所以光线被它的众多棱面反射、折射到与入射光完全不同的意想不到的方向。你看到它发出的闪闪亮光，但想象不出光源在哪里，感到十分神秘，就像钻石自己能发光一样。如果把钻石饰品带在身上，随着身体的移动，反射和折射的光线变化莫测，色彩也随之不断地变化，光芒闪烁会更加迷人。”
“知识播放”
普通的玻璃全反射的临界角在50°左右，全反射现象不明显。所以，就是外行也可以区别玻璃跟钻石。但是，现在用人工的方法能制造出折射率很接近金刚石的玻璃，用这种玻璃制成的饰品，在光学效果上很接近钻石，达到乱真的地步，但是硬度和其他的性质则完全不同于钻石。买钻石的时候你可别上当哦！
“眼界扩展”
据记载，印度早在距今三千年前便已发现钻石。18世纪以前，印度是世界钻石的唯一产地。1827年巴西发现钻石。1866年非洲发现第一颗钻石。中国发现钻石只有二三百年的历史。
盲人的感觉
这天，太阳暖洋洋的，有位盲人家里腌菜的坛子破了，他决定吃过早饭之后就上街去买个新的。走在大街上，他就听到有人在西边的墙脚下喊：
“卖坛子！有黑的，有白的，质量第一，做工漂亮，价钱适宜，童叟无欺！”一面喊还一面用小棍敲着摆满一地的坛子，发出清脆的声音。
“你这两种坛子大小一样吗？什么价钱？”盲人走过去问。
“大小形状都一样。不过，白坛子要比黑坛子贵，黑的十块钱一个，白的十八块钱一个。”
“这我知道，白坛子烧制的时候，火要更旺，它的质地比黑的更坚硬。”盲人说。
“先生是个行家啊！你要哪一个？”
“要白的，你给我挑一个吧！”
卖坛子的人拿了一个白坛子，刚要给他，忽然灵机一动，心想，我倒要见识见识这位盲人的真本事。于是随手换了一只黑坛子递过去，还用小棍敲了敲，声音同样清脆，说明是好的，也没有裂纹。
盲人凭耳朵听出这是个好坛子，接过来里里外外摸了一遍，然后他又摸了摸地上的几只。这一摸，盲人生气了：
“这是个黑坛子！你竟然是个骗子。”
“先生请不要生气，”卖坛子的一看事不好，赶忙解释，“我不是存心骗您，真的不是，而是想见识一下您的本事。果然身手不凡，非常佩服。向你道歉了，这坛子送给你，不要你的钱。”
“谁要你送，钱一分不少你的。”
“敢问先生以前烧过陶器？你看不见，又如何分辨黑白呢？”
“有神仙帮助！”盲人还在生气呢。
卖坛子的一再道歉，盲人相信了他的确不是有意欺骗，就告诉卖坛子的：“我是靠手的感觉判断的。你的这些坛子让太阳一晒，都变暖和了。可是，黑色吸热多，白色吸热少，所以黑坛子就比白坛子更暖和些。盲人眼看不见，就只有靠耳朵听，靠手摸，久而久之，耳朵和手比你们的灵。我摸了几个坛子，就很容易分辨哪个是黑的，哪个是白的。其实，我不用手摸，只靠耳朵听也能分辨出这两种坛子。”他边说边用小棍敲坛子，“你听，虽说两种坛子的声音都清脆，因为白坛子质地更坚硬，声音就更高些、更脆些、更实些。当然啦，用手摸不是更简单吗？”
盲人是靠热辐射的规律而分辨黑白的。最后盲人付了钱，抱了一个白坛子满意地回家了。
“眼界扩展”
在太阳光底下，两个人分别穿上一件白色衬衣和黑色衬衣，哪个人的温度会更高？这肯定是穿黑色衬衣的人，因为黑色吸热能力强，所以他的身上温度高。
“知识小博士”
1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩（Wilhelm Wien，1864～1928），以表彰他发现了热辐射定律。热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新技术，因此发展很快。到19世纪末，这个领域已经达到顶峰，以至于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。
别让增白剂把你欺骗了
在小的时候，小庆只有一件白衬衫，非常珍贵，只有举行少先队的队日时才穿出来。白衬衫穿久了也渐渐发黄，面洗衣服的时候在水盆里滴几滴纯蓝墨水，漂洗过后白衬衫会显得更白。但小庆一直不知道为什么。
带着疑问，小庆找到自然老师，于是，老师带着小庆一起来到了实验室。
老师说一个小实验便可以揭开这个谜。在一碗水里放一些增白剂，调匀。在一个暗屋子里用强光照射，小庆发现溶有增白剂的水会发出蓝盈盈的光。
其实，增白剂不是真正地把衣服上的黄色褪掉，而只是欺骗了你的眼睛。原来增白剂在阳光中紫外线的照射下会发出蓝色的荧光，这种荧光和衣服上的黄光混合起来再进入你的眼睛里，就感觉到是白色的，所以增白剂不损坏衣料。许多洗衣粉和肥皂里都添加增白剂。
两种颜色不同的光混合以后，人感觉到的就是另外一种颜色。用两只手电筒罩上篮、黄不同颜色的玻璃纸，把一束蓝光和一束黄光照在墙壁上，如果光的强度配合得好，重合的部分就是白色的。
自然界里大多数的颜色都可以用红、绿、蓝三种颜色的光按不同的比例混合而成，所以红、绿、蓝三种光又称作三基色光。
“知识播放”
彩色电视机屏幕上的五光十色，就是利用了红、绿、蓝三种光按不同比例混合得到的。不信，你可以在看彩电的时候做个实验。用一个放大镜或爷爷的老花镜凑近正在播送节目的电视屏幕看看。在放大镜里你会看到屏幕上的彩色图像，变成了一些紧紧挨在一起的彩条，它们是由红、绿、蓝三种颜色的彩条组成的。
“新知探索”
洗衣粉含有荧光增白剂等化工原料。荧光增白剂是致癌物质，可使人体细胞发生畸变，也可引发皮炎和皮肤瘙痒。此外，接触洗衣粉久了，可能会造成动作呆滞、脾脏缩小。对含磷洗衣粉来说，磷酸盐会对皮肤产生不良刺激，导致湿疹、皮炎。应使用无磷洗衣粉，在洗衣时多漂洗几遍，做到衣物中不残留洗衣粉；不可用洗衣粉来清洗茶杯、餐具，更不要用来洗禽肉和水果蔬菜。
高效的传播通道
小明是个爱思考的孩子，他在家里或者外面见到自己好奇的事物就会刨根问底，而爸爸一点都不感到厌烦，对于儿子喜欢动脑的习惯非常赞同。
有一天，小明见妈妈在家打电话，他的脑海中萌生了一个疑问：电话是通过什么东西传输信号呢？于是，他冲到书房找爸爸问个究竟。
爸爸说：“电话的信号是由光纤来传输的，光纤是细如发丝的玻璃纤维。最早提出利用光纤进行通信设想的是英籍华人高锟，他还用最好的玻璃制成了第一批光纤。把若干根光纤合在一起就成了光缆。与电缆相比，光缆有重量轻、成本低的优点，而且能节省大量资源。利用光纤通信，还有传输信息量大、传输损耗小、无电磁辐射及保密性好、抗干扰等优点。”
“据计算，如果用一根由32条光纤组成的、直径不到1*9郾3厘米的光缆，可以同时传送50万路的电话和5000个频道的电视节目。如果将光纤接入家庭，那么，你可以在’滴答’的1秒钟内，给朋友传送去五十多张DVD的内容，真是快得惊人！”
知识播放
“科学大揭秘”
在今天，为什么通信材料都采用光纤呢？
这是因为光纤的通信频带很宽，而且不受电磁场和电磁辐射的影响。
“新知探索”
光纤结构一般分为三层：中心为高折射率玻璃芯（芯径一般为50或62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。
钞票防伪技术
自从彩色复印机出现以后，每个国家都担心这种机器会为犯罪分子造假钞提供方便。
于是，每个国家都在想着新的办法对付这些犯罪分子。很多的学者都对这方面进行了研究，导致后来防伪技术的出现——超微棱衍射图案技术，让人们在钞票上面印的字从正面看是红色的，稍一倾斜就出现了绿色或黄色。这种纸币在复印后，则会失去变色的功能。
小寒对生活中的点点滴滴都非常细心地观察，在一次光学实验课上，她看见老师拿出一张旧唱片做实验。老师介绍道：“一般唱片是黑色的，但是从某一个角度望去，它上面会呈现出绚丽的色彩。你相信吗？怎样才能欣赏到唱片的彩虹呢？”
“你们站在窗前，把唱片水平地举到和眼睛差不多高的位置，以一只手为轴，慢慢地转动它，同时注意观察从唱片凹槽上反射过来的远处光线。转到角度合适的时候，你会看到一大片彩虹。这是由许多组光谱组成的，每组光谱都包括由红到紫的七色。”
“为什么会出现这种七色呢？那是因为唱片上刻有密集的凹槽，它们均匀地排列在唱片上。光波射到这些凹槽上的时候，就会向四面八方散射开来。这些散射的光波相遇后会发生加强和减弱，结果就把白光分解成了彩色的光谱。这个实验有力地证明了光的波动性。”
此时，老师又说：“1821年，德国物理学家夫琅和费首先利用很多彼此平行的细金属丝制成了第一个‘衍射光栅’。金属丝的数目每厘米是一百三十六条。在科学实验中常常要使用优质的光栅。它是在一块玻璃的镀银面上用金刚钻刻成的。那上面的刻痕要求排列均匀，而一个供科学实验用的衍射光栅在一厘米宽的间隔内则有上万条或更多的刻痕。光栅在科学实验中最重要的用处，是对从物质发出来的不同颜色的光进行精确的分析，从而判断物质的化学成分；科学家还利用光栅分析分子和原子的结构。”
这时，小寒从唱片想到了钞票的颜色变化，于是，她向老师提出了自己的疑问，老师解释道：“唱片是一个粗陋的光栅。一个慢转密纹唱片在一厘米宽的平面上只有一百二十条凹槽。但是激光唱盘的凹槽要密得多，所以在激光唱盘上很容易看到彩色。”
“钞票防伪使用了光栅技术。超微棱衍射图案技术就是在钞票的某一个部位通过印刷形成有规律的凹凸不平的光栅，所以才能产生变换的色彩。复印的伪钞失去了这种光栅效应，所以可以立即识别。”
“知识播放”
光栅是一种折射率周期性变化的光学元件。最常用的光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝组成的，通常是在一块平面玻璃上用金刚石刻制、复制或用全息照相等方法制成。
知识播放
“新知探索”
光栅不仅适用于可见光波，还适用于红外和紫外光波，常被用来精确地测定光波长及进行光谱分析。以衍射光栅为色散元件组成的摄谱仪和单色仪是物质光谱分析的基本仪器之一。光栅衍射原理也是晶体X射线结构分析和近代频谱分析与光学处理的基础。
小儿辩日的故事
相传在春秋时期，孔子东游走过了一个又一个村庄。当他到达一个村庄时，见到两个小孩在村头争得面红耳赤，谁也不服谁。
孔子走过去问：“你们因什么事情争得这么激烈？”
“我说太阳刚出来的时候离人近。”穿白色衣服的小孩抢着说。
穿着黄色衣服的小孩也说：“不对，太阳中午时离人近。”
“老夫子，您说谁说得对？”问着问着，孩子们又争起来了。
“孩子们，都别争了，你们认为自己对，就把理由说出来。”孔子说。
穿白色衣服的小孩又抢着说：“一个东西都是近了看着大，远了看着小，不错吧？太阳刚出来的时候，像车盖那么大（注：古代车上支起的车盖，圆形，可遮阳遮雨，好似今天的伞。车盖圆径有一丈，约合3*9郾3米），而到中午变得像个菜盘子。这不证明太阳早晨近而中午远吗？”
穿黄色衣服的小孩争辩道：“离火炉近了热，远了凉，这不错吧？太阳刚出来的时候，凉凉的，而到中午热得像在开水锅里一样。这不证明太阳早晨远而中午近吗？”
两个小孩子追问孔子：“老夫子，谁说得对呢？”
孔子讷讷地说：“你们都很有道理，但也不是全对……所以我不能判定谁说得对。”
两个小孩子笑了：“都说老夫子见多识广，原来也有不知道的事啊！”
孔子说：“知之为知之，不知为不知，这才是应有的态度啊。”
就这样，小儿辩日的故事在我国已流传了两千多年。两个小孩各执一词，都有道理，日远日近却只能有一个答案。我们不能责怪孔子连小儿的问题都回答不出，就是到今天，要清楚地解释这个问题也不是件容易的事，它牵涉到光的折射、光的吸收、眼的错觉等方面。经过历代人的不懈探索，现在已经可以回答这个问题了。
太阳中午离得近而早晨离得远，相差大约是地球的半径这么长，但考虑到地球的大小与太阳相比，是太小太小；与太阳和地球的距离相比，是太小太小（参见下面的数据），所以实际上应该说，中午和早晨太阳离我们同样远近。
地球的直径：
12741千米=1.3万千米
太阳的直径：
1390000千米=139万千米
日地的距离：
149600000千米=14960万千米
为什么早晨的太阳看起来大呢？这是眼的错觉造成的。
造成错觉的原因有三：①背景原因：早晨太阳在地平线，有房屋树木作对比，显得大；而中午高悬空中，周围空旷，显得小。②亮度原因：早晨太阳亮度与周围的亮度接近，显得大；中午太阳亮度与周围相差悬殊，显得小。③视线原因：看早晨的太阳是平视，显得大；看中午的太阳是仰视，显得小。
为什么早晨感觉凉而中午感觉热呢？那是与太阳的斜射、直射有关，与地面得到太阳热量的积累有关。对同一地面来说，斜射时得到的太阳光少，直射时得到的多。早晨太阳初升，地面本来是凉的，而到中午，太阳已照射半天，地面积累的热量多，再加上太阳几乎是直射，就感到热了。
“知识链接”
日出日落时间和太阳的高度在一年内不断变化，而且随纬度不同而不同。1955年，我国著名天文学家戴文赛教授对这个问题作了深入的研究，并发表了论文《太阳与观测者距离在一日内的变化》。
影戏让汉武帝梦想成真
汉武帝开辟了汉朝繁荣昌盛的一个高潮，他一上台，就加强对地方和边境的控制，发展农业和水利，强化对百姓的统治，推崇儒家学说，派张骞出使西域，巩固边防，使得天下充满了祥和的氛围。但有一桩心事搅得他不得安宁，他的爱妾李夫人年纪轻轻就离他而去，武帝时常在深夜思念她。李夫人长得窈窕俊美，能歌善舞，深得武帝宠幸。她生病时，武帝亲自前去床前问候，死后得以厚葬。武帝又令人画李夫人像，并摆在甘泉宫。虽说皇帝妻妾成群，可他丝毫没有减少对李夫人的思念。一日，他将少翁叫到面前。
少翁是个出名的方士。方士是我国古代好讲神仙方术的人，什么修炼成仙啊，长生不老啊，能见鬼神啊，不一而足，很得统治者的信任。武帝试图用这种方法来减少自己对李夫人的思念，这位方士据说活到了两百岁仍然面如童子，所以称之为少翁。
“朕思念李夫人，能否再见她一面？”武帝问。
“可以，但只能在远处看，不能同在一个帷帐内；只能在夜晚见，不能在白天相逢。”
“那怎么才能见到呢？”
“在深海里有一种潜英石，青色，有暗花，它轻如羽毛，极冷时它温暖，极热时它又冰凉。取来潜英石，将它制成人的模样，便像真人的神态一样，皇上就能见到李夫人了。”
少翁的一席话，让武帝颇为心动，立即派人去寻找潜英石，少翁拿到潜英石之后，立马就动工按李夫人的图像刻成人形。
入夜，一切准备就绪，少翁让武帝坐在一个帷帐里观看。他面前灯烛齐明，在另一帷帐内列案摆着美酒肉脯。少翁口中念念有词，这时，李夫人出现在前面的帷帐中，武帝不觉心花怒放。可是时间不长，李夫人就徐徐退去。武帝没能靠近她，她又匆匆离去，使他更添相思之苦，悲戚中作诗曰：“是也非也，泣而望之，偏何姗姗其来迟？”后来，据专家分析，可能是利用影像在屏幕上表演，并认为这是我国历史上最早的影戏记载。我们就叫它石影戏吧，后来还有手影戏、皮影戏。
其实，可以用物理现象来解释少翁的影戏。
首先我们要明白影是怎样形成的：光线传播的过程中，如果被物体挡住，物体后面就出现影。所以，成影要具有三个条件：光源、物体和屏幕。在少翁的影戏中，光源是灯烛，被光照射的物体是潜英石刻像，屏幕是帷帐。刻石的影投射到帷帐上，就显现出李夫人的大体模样。移动刻石时，它的影也移动，好像李夫人在走动。当然，以上只是一种可能的解释，这种解释也还有明显的漏洞。再说，即便是以今天的技术重现了古时的现象，也还不能肯定已经破解了古代之谜。科学是极为严肃的事，不能想当然地下结论。
“知识链接”
皮影艺术源于秦、晋、豫黄河三角地带，传统的皮影分布在四川、陕西、福建、广东、山西、湖南、河北和北京等地区。其中陕西的皮影比较著名，它的形象继承传统画像砖的概括手法，脸谱、服装吸取了传统戏曲的精华。
光的传播不需要时间
“光的传播是不需要时间的。”当你听了这句话之后，一定会觉得不可思议，可是，天文学家开普勒，数学家、哲学家笛卡儿等一些大科学家都这样认为。为什么会产生这种错误的结论呢？主要是光速太快了。
后来，伽利略却认为，光的传播仍然需要时间。他提出了一个测量方法：两个人分别提一盏闪光灯站在相距甚远的两个山头上，甲先举灯闪光，并从闪光时开始计时。当乙看到电灯闪光时马上举灯闪光，在甲看到乙灯闪光时，结束计时。这样就知道了光往返两个山头所用的时间，用这个时间去除两山头距离的2倍，就可算出光的速度了。
光的传播速度实在是太快了，光往返于两个山头的时间太短，比人看到对方灯亮后再举起自己的灯并让它闪光的时间还要短，所以伽利略用“举灯法”测量光速是不行的。
要想测出光传播的时间，必须让光通过很长很长的距离才行，既然在地球上的距离仍嫌太短，就要利用天上的星星，利用天体发生的现象去测量光速。伽利略也曾经这样设想过，丹麦天文学家罗默第一个测出了光速的数值，尽管误差很大，但却是人类第一次测光速的尝试。
法国物理学家菲佐说：“我要在地面上精确地测量光速。”后来他设计出巧妙的方法，成为在地面条件下测量光速的第一个人。
关键在于如何测量极短极短的时间。他在一个山顶安放了光源和一个高速旋转的齿轮。在5英里（合8.633千米）以外的另一个山头安放了一面镜子。让光源发出的光通过齿孔（假定是A和B两齿的齿孔）射出去，射到镜子上再原路反射回来。当齿轮不动时，返回的光仍能通过齿孔；当齿轮转动时，就会被挡住，使观察者看不到反射光。但如果齿轮转速加快，达到一定转速，会在光线返回齿轮时，B齿恰好转到原来发光时A齿的位置，反射光线正好又遇到齿孔；通过齿孔，又使观察者看到光。
菲佐在实验中所用的齿轮有720个齿，当转速达到12.6转/秒时，反射光线恰好回到齿孔。他根据这几个数据，就算出了光的速度为313300千米/秒。这个测量数据在当时已是相当精确的了。
现在的公认值，光在真空中的速度是：
C=299792.458±0.01千米/秒
菲佐在实验中就已知齿轮转速是12.6转/秒，可知齿轮每转一周所用的时间为1/12.6秒，每转过一个齿所用的时间为1/（12.6*720*2）秒。这里应该注意到，这个齿轮的每一个齿只占周长的1/（2*720），而不是1/720，一个齿和一个齿孔加在一起才占周长的1/720.光的总路程是：2×8.633千米。那么，光速为：C=s/t=（2×8.633）×（12.6×720×2）千米/秒。
“万象思维”
光的传播速度很快，光在1秒钟内传播的距离相当于绕地球7圈半。
“眼界扩展”
光的直线传播规律——光在同种均匀介质中是沿直线传播的。同种、均匀两个条件必须同时满足。光在同种不均匀介质中传播会发生弯曲，海市蜃楼、天体位置的视差等，都是由于大气层不均匀使光折射造成的现象。
用镜子烧敌人的木船
1747年的夏天，在法国巴黎，太阳高而蓝，就像热情的火焰一样照射着大地。在皇家的植物园里，许多人都按照布丰的吩咐而忙碌着，他们正在布置一个实验。空旷的地上堆满了木柴，离木柴70米远的地方支着一个大木架，上面整整齐齐地摆放着360块镜子，组成半球状，每个镜子都是15厘米见方。远远看去，这是一个有8平方米面积的凹面镜。调整大木架的位置，可以使太阳光照到凹面镜上，经过凹面镜的反射，平行的太阳光就会聚在一点，并让这一点落在远处的木柴堆上。会聚的光太刺眼，人们都不能睁开双眼去观看。
太阳光能把木柴点燃吗？时间一分钟一分钟过去了，人们在期待着。布丰两眼盯住那堆木柴，早已忘记了夏日的炎热。
布丰的热情为什么这么高呢？这要从阿基米德的传说说起。发现了浮力定律的大学者阿基米德，他不仅是物理学家，还是一个爱国者，当邻国的侵略军从海上进攻自己的国家时，为了保卫国家，他急中生智，让全国的妇女把自己的镜子拿出来站在斜拉古城堡，将太阳光一齐反射到敌人的木船上，结果，奇迹出现了，聚焦的阳光把战船全部烧毁了，成功地打败了敌人。这个传说一直为人们津津乐道，流传了一千多年。但是历史学家认为，这根本是不可能的事。争论一直在继续，它引起了布丰的兴趣，他想，为什么自己不实验一下呢？
正在他琢磨时，花园里的木柴堆开始冒烟了，跳出火苗，噼啪作响，越烧越旺。布丰成功了！接着，他又将铅拿来放到阳光的聚焦点上，结果，距离镜面39米远时，铅被日光熔化了；换成银，距离镜面18米远时银又熔化了。
根据布丰的实验结果，我们可以猜测阿基米德是怎样用镜子烧敌人的木船的。
据说古希腊时代所用的镜子是青铜镜，既沉重，反光又差，因此，阿基米德用镜子烧敌船的传说，可能性还是有的。既然360块小镜子足以将70米远的木柴引燃，那么，假设当时的太阳很毒，青铜镜制作精致，阿基米德调动几千名妇女上城墙，每人手持青铜镜一齐照射几十米远的一条敌船——当时是木船，是有可能将船烧着的。
另有资料说，一位希腊工程师在1973年用70面1*9郾5平方米的大镜子，照射50米远的划艇，几秒钟就着火了。
也有人说，根据布丰的试验推知，要把1千米远的大帆船点燃，需要1000面直径为10米的大镜子才行。以此计算，阿基米德需要动员上百万名妇女站到城墙上去。那时哪有上百万名妇女的城市啊，由此得出结论，认为动人的传说是凭空捏造的。
由于年代久远，传说已无法考证。现在只能说，这个传说存有一定的可能性。
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光的折射定律：光从一种媒质入射到另一种媒质时发生折射，入射角的正弦与折射角的正弦比等于第二种媒质相对于第一种媒质的折射率。
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光折射的公式为n21=sinα/sinγ（n21为第二种媒质相对于第一种媒质的折射率，α为入射角，γ为折射角）。折射率和光在各媒质中的速度有关，即n21=V1/V2；而绝对折射率是光从真空进入某媒质的折射率：n=C/V（注意：n21=1/n12，n12=n1/n2）。
反射光让水果变得丰富
爸爸要妮妮去买水果，妮妮约了小军一起去，他们走进了家附近一间装饰一新的水果店。
“哇！好丰盛的水果哟！”妮妮一进门就被满柜台的水果惊住了，以前这家水果店可不是这样。
小军左顾右盼，终于看出门道。他对妮妮说：
“这里的水果没有那么多！它有的只是你看到的1/4.”
“什么？1/4？”
“你仔细看看，水果后面是什么？”
“咳，我这么粗心，竟没看出是镜子。”
“你看，北墙上有面大镜子，西墙上也有一面，天花板上也有一面，这3面镜子互相垂直连在一起。每面镜子里都’多’了1份水果，3面镜子’多’了3份，所以我说真正的水果只是你看到的1/4.”
“这么说，1个苹果在3面镜子里就变成3个了？”
“那是！一面镜子呈1个像嘛！”
妮妮说：“可是3面镜子都是垂直的，从这面镜子能看到那面镜子啊！”
“有道理！是我粗心了。说1/4不对，1个苹果不止呈3个像。”
“孩子们，1个苹果在3面镜子里的像，确实不止3个。”售货员听见他俩的议论，也过来插话。
“几个呢？”
“你们自己看看，自己画画图就知道了。”
他俩一时也没查清有几个，因为这里堆的苹果太多了。他们买好了水果，决定回家再去讨论这个问题。
他俩找了3面平面镜，互相垂直摆着，然后放上1个苹果，看来看去终于找到了答案。
其实，在互相垂直的3面镜子里，1个苹果共有7个像。在下图中，A是真正的苹果。
A1、A2、A3，是A分别在北墙镜、西墙镜和天花板镜中的像。
A12、A13、A23，分别是北西二镜、北天二镜和西天二镜同时反射得到的像。
A123是三面镜子同时反射得到的像。
所以看起来共有8个苹果。
最后，请你想一想，在这有7个像的立体图中，3面镜子的位置在哪里呢？
急中生智取火
一个探险队步行在雪山中，冰天雪地，由于有阳光的照射，四周一片光亮，非常刺眼，其中一个探险队员拿出温度计一测，气温却在零下48℃。
到了中午时分，探险队找了块平地准备做午饭。“不好了，打火机丢了！”正要生火做饭的罗斯特惊叫起来。这是探险队仅剩的一件生火用具。
“要是有个放大镜就好了，用阳光取火一定能成功。”希鲁克林说。
“让我好好想想，一定会有办法解决的。”教授说。
“能有什么办法？四周都是冰，用它们灭火倒是好材料。我们还是生吃鹿肉吧。”希鲁克林饿得等不及了。
“对了，曾记得有本小说这样写道，主人公取下两块手表的玻璃表盖，中间盛上水，周围用胶布粘好，不让它漏水，就制成了一个凸透镜。在阳光下聚焦，能把火绒点燃。我们是否试试呢？”罗斯特说。
教授说：“其实这个办法不可取，因为水能挡住太阳光的大部分热量，在聚焦点上是很难点燃的，不过，我们不妨用冰来点火试试。”
“什么？不是我听错了吧？不是有人说，冰和火不能在同一个炉子里吗？”希鲁克林说。
“这次，就让它来个冰炭同炉！”教授蛮有把握地说。
教授让希鲁克林去凿一块淡水结成的冰块，越透明的越好。希鲁克林不一会儿就搬来一块长宽各有20厘米的冰块。教授仔细地用小刀把它刮成凸透镜的样子，又用皮手套的面摩擦凸面，给它抛光。
教授将冰透镜对着太阳，在那样冷的环境，不必担心冰透镜会融化。阳光经过透镜的折射，在下面不远处聚成一个很亮的耀眼光点，这里温度极高。在光点上放了纸片，不到半分钟，纸片就燃烧起来。他们又有火做饭了。不一会儿，他们就吃上了热气腾腾的熟肉。
自古以来，我国的山东蓬莱就是看海市蜃楼的好地方，岛屿山峦和城市出现在空中，街道上的行人依稀可见，宛如仙境。
亲爱的读者，走在火辣辣的阳光下是有些恼人，但是，这也正是观察“马路蜃楼”的好机会，你可不要错过哟！
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关于大冰透镜，英国最早在1763年就有人做成一个大冰透镜，在阳光下把木柴都引燃了。
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世界上最早的冰透镜，还是出现在中国。西汉时期《淮南万毕术》中明确记载：
“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”
就是说，用冰削制成圆球状，举起来对着太阳，将艾草编成的草绳放在镜下的阳光聚焦点（就是文中所说的“影”）上，艾草就被点燃了。这说明，最晚在西汉时中国就出现了冰透镜，至今约两千年了。另据考证，很可能在更早的先秦时期就有了冰透镜。
奇妙的玛瑙盂
在宋代，有个徐州的官员陈皋，他经常去乡下微服私访，巡查民情。一天，他走在乡间的田野上，见到几个农夫在一起挖掘，走过去一瞧，他们在开荒种田时，挖出了一座无名的坟墓。农夫们把一些陪葬品乱扔，陈皋看了看，只有几只破碗和一个像酒杯一样的玛瑙盂，于是，陈皋把那个玛瑙盂捡了起来，他就带回了家，刷洗干净，放在书桌上。
第二天，他就拿着这个玛瑙盂去池边盛水，写公文时，突然间发现玛瑙盂水中好像有条一寸长的小鲫鱼游来游去，十分可爱。他想：八成是刚才到池边取水时鱼儿自己游进来的，便不再想。等写完公文，他又看到那条小鱼，“何不放到小缸里养起来呢？”他顺手拿来一个白色的缸，将鱼倒进去。奇怪，缸里没倒进鱼去，再看那玛瑙盂空空的也没有鱼了。是我看花了眼了吗？带着疑惑他又去取水，结果，那条活泼可爱的小鲫鱼又出现在盂中。他用手去捉，什么也没摸到。他心想：真是件宝物！从此他爱不释手，盛水、倒水、盛水、倒水，一天能看上十几次。有一次，有个管水利的官员来看望陈不时，他们曾一同观赏，共同赞扬制作玛瑙盂的工匠鬼斧神工，但谁也不明白其中的奥妙。
无独有偶，我国传统戏剧中有一出《蝴蝶杯》，说有一件明代的祖传宝物，杯中盛满酒时，就有一只蝴蝶在杯中扑动翅膀，翩翩起舞，喝干了酒，蝴蝶就消失得无影无踪。这与玛瑙盂异曲同工。20世纪80年代初，我国已将蝴蝶杯研制成功。
为什么会出现这种情况？一位专家给出了解释：以蝴蝶杯为例。杯子的下部藏了一只制作精巧的蝴蝶，用细细的弹簧将它挂起，轻微的振动就能使它晃动，如飞舞之状。在它的上面嵌了一个小放大镜，而蝴蝶的位置是在它的焦点以外。这时人看杯底，由于小放大镜的作用很难发现那只蝴蝶，这是因为按凸透镜成像规律，蝴蝶的像是在凸透镜的另侧，也就是人眼这边，是放大的实像，空杯中光线很弱，且不容易碰到实像的位置。在杯中放上透明的白酒以后，这酒在杯中恰似一个凹透镜，它又紧靠着那个凸透镜。这样，当平行光线通过凹透镜时，光线要分散，分散的光线再通过凸透镜时，聚焦点必然变远。就是说，加了凹透镜的凸透镜，焦点变远。尽管蝴蝶位置不变，但它处于焦点以内了。这就成为放大镜看东西的情况。这时蝴蝶的像就变成了放大的正立的虚像，而且是在同侧。其实玛瑙盂的构造可能也像蝴蝶杯一样，只要把“蝴蝶”换成“小鱼”就行。
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凸透镜是中央部分较厚的透镜。凸透镜分为双凸、平凸和凹凸（或正弯月形）等形式，薄凸透镜有会聚作用，故又称聚光透镜，较厚的凸透镜则有望远、发散或会聚等作用，这与透镜的厚度有关。
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当物体为实物时，成正立、缩小的虚像，像和物在透镜的同侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距（指绝对值）以内时，成正立、放大的实像，像与物在透镜的同侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距（指绝对值）时，成像于无穷远；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距以外两倍焦距以内（均指绝对值）时，成倒立、放大的虚像，像与物在透镜的异侧；当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为两倍焦距（指绝对值）时，成与物体同样大小的虚像，像与物在透镜的异侧。
超光速的诱惑
阳阳、静静是好朋友，她们经常在一起讨论科学问题。
“宇宙中最低的温度是多少？”阳阳问。
“是-273.15℃。”静静回答道。
“宇宙中最快的速度是多少？”
“是光在真空中的传播速度，30万千米/秒。”
“对了，你真聪明，书中说这是宇宙的两个极限，人类可以无限地接近极限，但永远也不能达到和超越极限。”
“不是有人在探索超光速吗？超光速真的太吸引人了。你想，如果我们能坐上超光速飞船，那就可以亲眼看到历史上发生的事了。”
“这么说，只要继续向前，还能看到清朝的情景，看到唐朝，看到春秋战国，看到北京猿人呢！”阳阳兴奋了。可是转念一想，“光越往前传播越弱，恐怕看不到呢！”
“是越传越弱，但这只是个技术问题，只要弱光逐级放大就行了。所以，不管技术上暂时能不能做到，从原理上讲，是应该看到的。”
“这倒是。”
“不过，爱因斯坦说，在真空中的光速是速度的极限，不可能有超过光速的速度。超过水中的光速是可能的，但超过真空中的光速则不可能。”
“太郁闷了，不，我有办法：在20万千米/秒的高速飞船上，顺着运动方向再向前发射速度是30万千米/秒的光，你说这光的速度是多少？”
“不知道。这倒像顺水行舟的情况。”
“我就是这么想的。如果船在静水中的速度是5米/秒，水流速度是2米/秒，那么船顺水运动的速度是多少？”
“当然是（5 2）米/秒啦！”
“依此类推，那飞船上发出的光，应该有（20 30）万千米/秒的速度，这不就超过光速了吗？”
“好像有些道理。可为什么科学家都说不行呢？”
“当然是我们错了，可不知道错在哪里。”
他们去找赵老师。
赵老师说：“你们将平时我们周围低速运动的规律推广到高速世界中了，其实高速运动世界并不遵守这些规律。这里说的低速，是相对于光速来说的。发射人造卫星时，最高速度也不过8千米/秒；发射人造行星时，最高速度也不过12千米/秒，比起光速来，都只能算低速度。在低速世界里，一个物体同时参与两个运动时，两个运动速度可以相加。如顺水行舟的计算公式那样。但对如同光速的高速运动来说，就不能用这种简单的加法，它有另外的规律，另外的计算公式。按照它的公式计算，最高速度仍是真空中的光速。换句话说，不管在哪里观测，不管谁去观测，光在真空中的速度是不变的，都是30万千米/秒。
“任何客观的规律，都有它的适用范围，不能不顾适用条件随意搬用。对于’超光速是不可能的’这一结论，也应这样去对待。所以科学界一直没有放弃对超光速的探索。”
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自19世纪进入通信时代以来，人们就一直梦想着一种比光速更快的瞬时通信方式。这种方式使得信息的传递不再通过信息载体（如电磁波）的直接传输来完成，而是通过一种类似于心灵感应的神秘机制，从而使通信不再受空间距离的限制。今天，科学的发展已经为我们提供了这种神秘的机制，这就是量子非定域影响或量子超光速影响，而依此实现的通信方式被称为量子超光速通信。
本章小结
本章中的这些真实的故事中构成了人类技术进步的历史，我们每一个人都生活在这些故事之中。读完本章后，你得到了什么启示呢？
