物理声学的物理声学成果及科研课题

物理声学包含超声学水声学。声学是古老又年轻的学科，因为它有悠久的历史，并且近代声学研究已经广泛渗入到科学研究、国民经济以及国防建设等各个领域，并形成了一些新的交叉学科。物理声学的领域开展了大量应用问题的研究，如超声马达的研究得到国家多项基金的支持，中国在2001年研制出当时世界上最细的弯曲旋转超声马达。在基础研究方面，中国物理学家曾在液晶非线性动力学问题的研究中，发现指向波，获国家教委科技进步奖。

物理声学在中国的研究工作中已经发表论文约二百余篇。物理声学领域已经取得国家发明专利近二十项，声学领域的研究大多数得到各类基金或企业的支持，迄今物理声学领域十多项课题获得国家级、部委级奖励。

现代中国物理声学领域主要研究课题：超声马达、热声制冷、声致发光、时空有限的波在界面上的反射和透射、厅堂声混响、磁流体声波以及声波在工程检测中的应用等问题的研究。

　　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。

光学：(一)声音：①产生：由于物体的______。②传播：声音的传播需要___________。

③传播的形式：___________，④应用：B超是利用____________来检查人体的各器官。

(二)光：①光在同一种物质里沿______传播。②光在真空的传播速度最快，为________。

③光的反射定律：________、_________、__________在同一平面内；反射光线和入射光线分别位于________两侧。_______角等于_____角。反射可分为______反射与____反射。

④平面镜成像的规律：A、是____像(填“实”或“虚”)，能否呈现在屏上？_______

B、像和物离镜面的距离__________。 C、像与物的大小__________。

⑤光的折射：光发生折射时，入射光线、折射光线在________平面；________与______

分居法线的两侧。光从空气斜射入水或玻璃时，折射角_______入射角。光从水或玻璃中斜射入空气中时，折射角______入射角。

⑥凸透镜成像的规律

物距 像的性质 像距 应用

u 倒、正立 放大、缩小 虚、实

U>2f

f<u<2f

U<f

⑦眼睛：A、人的眼睛相当于_______镜。

B、近视的原因是眼球前后径_______或晶状体曲度_______，使像成在视网膜的______(填“前”或“后”)，应配戴__________作镜片的眼镜。

C、远视的原因是眼球前后_________或晶状体弹性________，使像成在视网膜的______(填“前”或“后”)，应配戴___________作镜片的眼镜。

⑧电磁波：A、太阳光由可见光与不可见组成，其中可见光包括_________________七色光。光是不是电磁波？__________。

B、电视机、收音机、手机等设备的天线接的信息，都是以_________的形式传播。