现代科学指出，光的本质特征是它的波粒二象性，也就是说，光是一种能引起视觉的电磁波，同时也是一种粒子（即我们常说的光量子，简称光子）。通常，人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱的一部分。
第二节光的神秘面纱-光学原理
1.神奇的小孔-光的直线传播
(1)光的直线传播特性
太阳赐予人类光和热，是人类不可或缺的光源。但是由于地球有自转运动，地球上便产生了白昼和黑夜的交替现象。每到晚上，太阳就不见了，黑暗就笼罩着大地。生活在远古时代的人类祖先，把黑暗看作一种可怕、可恶的东西，他们对于黑夜是无能为力的。直到今天，黑暗仍然被人们用来形容邪恶。后来，不知经历了多少个世纪，人类终于发现了火，并用它来提供光和热。而意味着“人类历史划时代进步”的发明-人工摩擦取火，使人类“第一次拥有了支配自然的力量”，从而把人同动物分开。在过去漫长的时间里，虽然后来人们又创造了油灯、蜡烛，但还是与火有关。因此，火一直是人们唯一可以利用的人造光源。直到近代发明了新的人造光源，光取代了火的作用。
在长期的生活中，人们通过对光的观察，已经意识到光的直线传播特性。为了证明光的这一性质以及针孔成像原理，在大量的实验和观察的基础上，我国先秦时期科学家墨子及元代着名的天文数学家赵友钦分别在其着作《墨经》和《革象新书》中，做了相当详尽的记载和论述，这在当时世界是绝无仅有的。
(2)光的直线传播定律
光的直线传播是指光在同种均匀介质中沿直线传播，它是几何光学的基本定律之一。通常人们利用这一原理，可以简明地解释成像问题（如针孔成像）。人的眼睛也是根据直线传播来确定物体或像的位置的。另外，在光的衍射理论中，其直线传播特性也是成立的，这一点，在本书稍后的部分会讲到。
(3)光与影的结合
影子的产生和光的直线传播特性有密切关系，是一种光学现象。
光（是指可见光）从光源传播出来时，照射在不透光的物体上，因为沿直线传播的光线被不透光的物体挡住了，于是在其后面受光不到的地方形成一个较暗区域，这个较暗区域就是我们平时所说的影子。它是一个投影，而并非实体。通常，光和不透明物体是影子产生的两个必要条件。
影子有本影和半影之分，本影是影子中部特别黑暗的部分，而半影是四周灰暗的部分。由于影子和光线的相互关系，在自然界，光与影巧妙结合产生了许多奇妙的自然现象，如日食、月食以及前面讲过的小孔成像，就是我们大家所熟知的。其中，日食和月食是光在天体中沿直线传播受到阻碍的典型例证。
2.有趣的天文现象-日食和月食
（1）日食现象
当月球绕地球转到太阳和地球中间时，太阳、月球、地球三者正好排成或接近一条直线，由于这时的月亮，正好挡住了射到地球上去的太阳光，而其身后的黑影也正好落到了地球上，于是地球上便发生了日食。
日食发生时，一开始，人们会看到阳光逐渐减弱，天色转暗，太阳面被圆的黑影逐渐地遮住。当太阳被全部遮住时，能够看到最亮的恒星和行星挂在天空中。几分钟之后，月球黑影的边缘又逐渐露出阳光，然后，开始生光，直至复圆。这是日食发生的整个过程。
日食有三种情况。如果月球把太阳全部挡住，则发生日全食现象；如果遮住一部分，则发生日偏食；遮住太阳的中央部分则称为日环食。一般来说，发生日食需要满足两个条件：
①日食总是发生在朔日，即农历初一（但并不是所有朔日必定发生日食）。
②太阳运行的轨道（黄道）和月球运行的轨道（白道）有5°9′的夹角。
这是因为在农历初一（朔日）这天，太阳和月球都移到白道和黄道的交点附近，只有太阳与交点处形成一定的角度时，日食现象才能发生。
通常，天空中发生日全食时，人们根据月球圆面和太阳圆面的位置关系，把它分为初亏、食既、食甚、生光和复圆五种食象。
（2）月食现象
月食是一种很特殊的天文现象，当月球运行到地球的阴影部分时，月球和地球之间的地区因为太阳光被地球所遮蔽，人们就看到月球“缺了一块”的现象。此时地球位于太阳与月球之间，太阳、地球、月球恰好(或几乎)在同一条直线上，地球掩盖了太阳照射到月球的光线。
月食必定发生在望日(即农历十五)前后。这是因为太阳轨道（黄道）和月球轨道（白道）有一个约5度的交角存在，并不在同一个平面上，只有当太阳和月球分别位于黄道和白道的两个交点附近时，太阳、月球、地球才有机会连成一条直线，产生月食现象。月食有月偏食、月全食及半影月食三种：
①月偏食：月球只有部分进入地球的本影。
②月全食：整个月球进入地球的本影。
③半影月食：月球只掠过地球的半影区，月面亮度减弱极轻微，人们用肉眼很难看出差别，因此，一般不为人们所注意。
通常情况下，一个完整的月食过程分为初亏、食既、食甚、生光、复圆五个阶段。
3.成像的秘密-光的反射
（1）反射现象
光从一种介质射向另一种介质的交界面时，一部分光返回原来的介质中，使其传播方向发生了改变，人们把这种现象称为光的反射。
镜面反射和漫反射是生活中常见的两种反射现象。
通常，镜面反射是指平行光线经交界面反射后沿某一方向平行射出，只能在某一方向接收到反射光线的现象。这时的反射面是光滑平面。而漫反射现象则是平行光经交界面反射后向各个不同的方向反射出，可在各个不同的方向接收到反射光线的现象。这时它所穿过的反射面是粗糙的平面或曲面。
光在反射时，有一部分光会被物体吸收，有一部分反射回来。能看见的物体中除黑色物体外都会反射光线。白色物体反射各色光，使其看起来是白色。灰色物体也反射各色光（它只反射一部分）。
其他物体无论是哪一种颜色，可以反射并按一定比例混合而成的本色光。
（2）光的反射定律
光的反射定律：反射光线与入射光线、法线位于同一平面上，反射光线和入射光线分别居于法线的两侧，且反射角等于入射角。
我们可把反射定律简单概括为：三线共面、两线分居、两角相等。
我们可以通过下面几点来认识光的反射规律。
①法线是入射光线与反射光线的角平分线。
②反射光线与反射面的夹角和入射角的和为90°。
③光的反射现象中，光路具有可逆性。
（3）平面镜成像
物体反射光源的光，射向平面镜进入人的眼睛后，能看到正像等于其反射的虚像，这就是平面镜成像的原理（即光的反射）。平面镜不能改变光的性质，即当入射光分别是平行光束、汇聚光束时，反射后则仍是平行光束、汇聚光束。
物体在平面镜里所成的像是虚像，这个时候，它的像距与物距大小相等，连线垂直于镜面，像与物上下相同，左右相反，到达镜面的距离相等。一般平面镜成像有以下特点：
①所成之像为虚像。
②像和物体正好左右相反。
③像和物体到镜面的距离相等。
④像和物体的大小相同。
4.表象背后的事实-光的折射
光从一种介质斜射到另一种介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象就是我们常说的光的折射现象。通常，光的折射能力会因介质不同而不同。
光的折射规律：
当光从空气斜射入水或其他介质中时，折射光线和入射光线及法线位于同一平面上，其折射光线和入射光线分别居于法线两侧，折射角小于入射角；当入射角增大时，折射角也随着增大，且当光线垂直射向介质表面时，它的传播方向不变，但光速改变，在折射中光路具有可逆性。
生活中，光的折射现象有很多，如筷子变弯、池水变浅、凸透镜成像等。
5.光彩耀人-光的散射
（1）光的散射
光的散射是指光通过不均匀介质时，分光束偏离原来的方向而发生的分散传播现象，一般人们可从侧面看到光的这种现象。
为什么光会发生散射现象呢？
这是因为，介质中存在大量不均匀小区域，当光射入时，每个小区域分别向四面八方发出同频率的次波，成为散射中心。发出的次波间并无固定相位关系，因此，他们在某方向上的叠加便形成了该方向上的散射光。散射光一般为偏振光，它的波长不发生变化的有廷德耳散射、分子散射等；而其波长发生变化的有拉曼散射、康普顿散射、布里渊散射等。一般来说，人们可通过对散射光谱的研究了解原子或分子的结构特性，因为波长发生改变的散射与其构成物质（原子或分子）本身的微观结构有关。
（2）丁达尔效应
生活中，常见的光的散射现象有丁达尔效应、大气散射等。
当一束光线透过胶体时，人的眼睛可从入射光的垂直方向观察到胶体里有一条光亮的“通路”，这种现象，就是我们常说的丁达尔现象，有时也叫做“丁达尔效应”。它是由英国物理学家丁达尔在胶体中首先发现并研究的。在天气晴朗的清晨，在茂密的树林中，树的枝叶间常常透过一道道光柱，这是自然界中一种类似“丁达尔”的自然现象。
6.可以“走弯路”的光-光的衍射
光的衍射是指光绕过障碍物，偏离直线传播路径而进入阴影区里的现象。它包括单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑等几种。
科学证明，和光的干涉一样，光的衍射具有光的波动性。
光的波长只有十分之几微米，很短，因此日常生活中很少见到明显的光的衍射现象。不过，如果当光射向一个针孔、一根细丝或一条狭缝时，人们可以清楚地看到光的衍射现象。用复色光照射，看到的衍射图案是彩色的。
衍射的种类有狭缝衍射和小孔衍射两种，那么，这两种现象究竟是怎么一回事呢？
(1)狭缝衍射
如果将激光发出的单色光照射到狭缝上，当狭缝的宽度远大于光的波长时，光的衍射现象极不明显。又由于光沿直线传播的特性，光在屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线。当缝的宽度调到很窄时（可以跟光波相比时），这时的光通过缝后就明显地偏离了直线传播方向。当其照射到屏上相当宽的地方后，会出现明暗相间的衍射条纹。狭缝越小，衍射范围越大。衍射条纹越宽，亮度越暗。
(2)小孔衍射
当孔的半径较大时，光沿直线传播，在屏上得到一个一样大小的亮光圆斑。当减小孔的半径时，按光的直线传播特性得到一个倒立的光源的像，即小孔成像。如果继续减小孔的半径，屏上将会出现明暗相间的圆形衍射光环。
第三节名人点击-艾萨克·牛顿
我不知道世人怎样看我，但我自己认为，我不过像一个在海边玩耍的孩子，不时地为发现比寻常更为美丽的一块卵石或一片贝壳而沾沾自喜，至于展现在我面前的浩翰的真理海洋，却全然没有发现。
——牛顿
1.人类科学史的奇迹-牛顿
艾萨克·牛顿是英国历史上伟大的数学家、物理学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士，同时也是一个神学爱好者。他于1643年1月4日出生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村，1727年3月31日在伦敦病逝。
1661年，牛顿进入英国剑桥大学三一学院，1665年获得学士学位。
之后不久，伦敦发生了严重的鼠疫，学校唯恐波及，剑桥大学决定休学停课。于是，牛顿于1665年6月离校返乡，在家乡居住了两年之久。在这段黄金般的岁月里，受到剑桥数学和自然科学熏陶的牛顿在家乡安静的环境里，思想展翅飞翔，才华迸发。他在自然科学领域内思考了一些前人从未思考过的问题，踏进了一些前人没有涉及的领域，在物理学史上创建了前所未有的惊人业绩。
在1665年至1667年的两年中，牛顿以比以往任何时候更为旺盛的精力从事科学创造，着手描绘他一生中大多数科学创造的蓝图，并且开始关心自然哲学问题。他一生之中最重要的三大成就，微积分、万有引力、光学分析的思想都在这时孕育成形。1667年，返回剑桥大学后，牛顿当选为三一学院的仲院侣(初级院委)，第二年获得硕士学位，同时成为正院侣(高级院委)。1669年10月27日，他的老师巴罗为了提携牛顿而辞去教授之职，使年仅26岁的牛顿晋升为数学教授，并担任卢卡斯讲座教授。在科学史上，“巴罗让贤”一直被传为佳话。巴罗为牛顿的科学生涯打通了道路，为牛顿成为伟大的科学家奠定了必不可少的基础，牛顿从此驰骋在科学的大道上。
1696年牛顿任皇家造币厂监督，移居伦敦。1703年开始任英国皇家学会会长，1706年受女王安娜封爵。晚年的牛顿潜心于研究自然哲学与神学。
2.光学世界的开拓者-牛顿的光学思想
牛顿在人类科学史上的贡献是多方面的，他的成就涉及力学、光学、数学、热学、哲学、神学等。他最主要的贡献是在力学上提出了三大运动定律和万有引力定律；在光学研究上，提出了光是由七色光组成的观点，发现并解释了“牛顿环”的干涉现象，制造出反射望远镜，同时，还继承和发展了“光的微粒学说”；在数学方面，他发现并运用微积分运算方法和无限级数理论等。他的代表着作有《自然哲学的数学原理》、《光学》等。下面，我们主要来看看牛顿在光学史上的研究，其伟大成就主要体现在三方面：
(1)白光是由各种不同颜色的光组成的。
牛顿曾经致力于光的本质和颜色现象的研究。1666年，他用三棱镜研究日光，通过实验提出以下光学观点：
①白光是由不同颜色即不同波长的光混合而成的，光的波长不同，其折射率也会不同。
②在可见光谱中，红光波长最长，因而折射率最小；紫光波长最短，则折射率最大。
牛顿在光学史上的这一重要发现，揭示了光色的秘密，奠定了光谱分析的基础。
（2）第一架反射望远镜样机和牛顿环。
牛顿喜欢自己动手制造出各种试验设备并进行实验。公元1668年，他制成了世界上第一架反射望远镜样机。公元1671年，牛顿把通过改进后的反射望远镜献给了皇家学会，由此名声大振，当选为英国皇家学会会员。反射望远镜的发明为现代大型光学天文望远镜奠定了基础。另外，“牛顿环”的发明是牛顿在光学中的另一成就。
（3）光的微粒说的继承和发展。
牛顿创立和发展了笛卡儿的微粒学说。他认为，光是由微粒形成的，且以最快的速度沿直线传播。光的微粒学说与稍后的光的波动说一起构成了光的两大基本理论。
此外，牛顿还制作了色盘等多种光学仪器。1704年，他的《光学》一书出版，在书中，牛顿系统地阐述了他在光学方面的研究成果。
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