【第4.01讲】光的方向之谜：从欧几里得到阿尔哈森

同学们好！欢迎来到物理老师讲物理。听了前几章的课，你有没有觉得物理其实没那么难学。相信自己，前途是光明的。“光明光明”，有光才有明。假设世界突然没有了光，会是个什么景象？今天起，我们就一起来探究奇妙的光。

这一讲我要讲两个故事，一个是阿尔哈森的故事，一个是欧几里得的故事。后面，我们还会讲到牛顿和笛卡尔的故事。


西方的《圣经》有句名言，“神说，要有光，就有了光。”

东方的神话，盘古开天辟地，从一片浑沌中，劈出了天地，也劈出了光明。他睁眼，就是白天；他闭眼，世间就成了黑夜。 “光”开启了神话，也启迪了艺术和文明。

地球上，万物生长都要靠阳光。所谓“光阴”，人类对时间的理解也离不开光。光，何以如此奇妙？

光的奇妙，最直接的感受来自眼睛。我们现在都知道，我们之所以能看见一个东西，是因为有光亮照在物体身上，然后反射进入了眼睛。可在中世纪以前，人们可并不是这么想的。这就是我要讲的第一个故事，阿尔哈森的故事。

古希腊的哲学家认为，人眼向外喷射一种物质，就像水枪喷水一样，这种神秘的物质触碰到物体，这个物体就被看见了。光的方向是由眼睛射向被看见的物体。这种说法一直流传了上千年，期间，虽有不同的学说被提出，却都没能替代它的主流地位。

直到公元10世纪，阿拉伯学者阿尔哈森提出一整套系统的光学理论，才彻底改变了人们对光的认识。阿尔哈森生于一个暴君的年代，国王命他制止洪水，若不成功则性命堪忧。他自知无能为力，为求自保，于是装疯，后来被投入监狱，关了十年。正是在阴暗的监狱里，他在欧几里得的基础上，形成了自己的一套更先进光学思想。每次他走出阴暗的囚室，看见刺眼的阳光，都会感到眼睛被灼伤的疼痛。因此，他坚信眼睛并非主动发出什么物质，而是被动的接受光线。出狱后，他将自己对光学的研究总结成了7卷本的著作，成为经典。

潺潺流水来自水源；悦耳的声音来自声源；绚丽夺目的光芒，自然也是来自光源。注意，要“自身”能发光才是光源，像月亮、镜子，这种自身不能发光，只是反射别人光芒的物体，不能称之为光源。光源分自然光源和人造光源两类。自然光源有：太阳、恒星、萤火虫、发光的水母、斧头鱼，等。人造光源有：电灯、酒精灯、点燃的蜡烛、火炬等。

光的路径又是怎么样的呢？
我们看到放电影时投射的光束，沿直线打在银幕上；类似的还有划破长空的探照灯光，从窗户射进家里的太阳光束，等等，都是直线的。说明光的传播路径是沿直线传播。

光沿直线传播，要从欧几里得的故事说起。

欧几里得试图解释为什么远处的物体看起来小，近处的物体看起来大。他伸出自己的手指，看起来跟远处山上的神殿柱子一样长。在当时，这是个难题。

欧几里得正是因为认识到了，光沿直线传播，那么眼睛、手指尖和神殿的柱子顶就在一条直线上。他用带箭头的直线来表示光线，然后就可以运用他擅长的几何知识来解释近大远小的比例关系了。这个方法一直沿用到现在，被称为几何光学。只可惜，欧几里得限于当时的认知水平，他画的光线是从眼睛发出的，与我们现在画的光线方向相反。

现在我们可以利用这种方法，研究很多光的现象，比如：影子、日食、月食、小孔成像等等。
你能否也试着，像先贤一样，解释两个现象：第一个“一叶障目，不见泰山。” 第二个“井底之蛙，坐井观天，所见甚小”。

有一点要特别注意，光沿直线传播是有条件的。其条件就是：同种均匀介质。这句话的意思是：同一种介质，如果不均匀，光可能走弧线；均匀，却有两种或多种介质，光走到两种介质的界面处就会变向，走折线。关于这一点，我们后面还要再专门探讨的。
另外，关于小孔成像，你应该要掌握：它形成的是物体倒立的实像，不是小孔的像，像的形状和物体相似，与小孔的形状无关。还要注意一点，小孔能成像，大孔是不能成像的。


我们已经知道，声的传播依赖介质，固、液、气体都是传声的介质。真空不能传声。那真空能不能传播光呢？
只要举一个例子就能说清楚，太空是真空，地球周围有大气层，太阳光、星光都能照到大地上，说明光既能在真空中传播，又能在空气中传播。其实，不仅是空气，我们都见过光在水中和在玻璃中传播，对吧。也就是说，真空和透明的介质都可以传播光。
无论在空气中，还是在水中、在玻璃中，光线都是沿直线传播的。看看课程文稿中的图1，就很直观了。

图1：空气中、水中、玻璃中的光线

光的传播速度即光速，光速非常快。科学的测量结果是：真空中的光速约为3E8m/s，常用字母c表示真空中的光速。光在空气中的速度比真空中略小一点点，通常可忽略这个小差别，也看成是c。光在水中的速度约为(3/4)c。光在玻璃中的速度约为(2/3)c。光速c是宇宙中一切速度的极限，即任何一个物体的速度都比光速小。

【思考题】

光是一种物质吗？

下一讲再见！

【备课手稿】