八年級物理上人教版從小孔成像到全息照相.doc

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從小孔成像到全息照相攝影既能如實地記錄被攝物的圖象、色彩和尺寸，又是文字語言的重要補充，比語言表述更形象、具體，起到了文字和語言所起不到的獨特作用，它打破了時間和空間的限制，能把過去的事物和瞬息間的事物凝固在一起，使人們能更好地研究過去的歷史，給科學研究提供可靠的資料，也給人們的生活增添了無窮的樂趣，由于攝影的上述特點，所以在攝影發(fā)明了150年以后的今天，攝影技術仍為許多行業(yè)不可缺少的一項專門技術。一、從小孔成像談起攝影術的發(fā)展首先是從照相機的發(fā)明開始的，而照相機的發(fā)明又與人類對小孔成像的研究分不開。我國早在2400年前戰(zhàn)國時期墨經(jīng)中就記述了用暗箱攝取影像的小孔成像的原理。沈括（10311095），在他的夢溪筆談中，對小孔成像理論作了進一步分析和解釋。明末、清初將小孔成像原理應用于繪畫暗箱已經(jīng)很流行了。在西方關于小孔成像的記載，最早見于古希臘著名哲學家、美學家亞里士多德(Aristotle公元前384322）的著作中，著名畫家、科學家達芬奇（LDavinci14521519）也曾用小孔成像描繪景物。小孔暗箱雖能成像并得到應用，但其缺點是不能解決影像亮度和清晰度的矛盾，于是出現(xiàn)了有透鏡的暗箱形成的照相機的雛形。帶透鏡的暗箱雖然能觀察景物。但卻不能把看到的景物永久保存，后來的人們開始對影像如何復制的問題進行了思考。對于一些物質的觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過陽光長期照射之后，它們會改變顏色。我國宋代文人蘇軾所編撰的物類相感志中就記述銀鹽變黑現(xiàn)象。1725年，德國醫(yī)學教授約翰海因里希舒爾茨發(fā)現(xiàn)，將做粉筆的白粉與硝酸銀混合于玻璃瓶中，被日光照射的一面變成了黑色，未照光的一面為白色，18世紀末，英國人托馬斯韋奇伍德，將不透明的樹葉，昆蟲翅膀放在涂有硝酸銀的皮革上，在陽光下曝曬后，取下樹葉時出現(xiàn)了非常優(yōu)美的白色輪廓圖象，白色部分有感光能力也逐漸變黑了，他雖然沒有找到將圖象固定下來的方法，但他證實了攝影方法記錄成像的可能性。1826年，德國石版印刷工人約瑟夫尼塞福爾尼普斯（JNNiepce17651833），用涂有瀝青的合金板放在暗箱中，將鏡頭對準他工作的室外，經(jīng)過8小時的曝光后，浸入熏衣草油中沖洗，得到了第一幅永久保留下來的影像照片，此法稱為“日光攝影法”。由于日光攝影法光敏度特別低，不可能成為實用的攝影方法。法國發(fā)明家達蓋爾（LJMDaguerre17891851）改用銀鹽，在銅板上涂上碘化銀，感光性能大大提高，而用硫代硫酸鈉溶解未感光的銀鹽就是“定影”，1837年5月達蓋爾使攝影成為現(xiàn)實，并命名為“達蓋爾攝影法”。1839年8月19日法國科學院與藝術學院正式發(fā)表了達蓋爾攝影術，這一天被世界公認為攝影術的誕生日。接著，英國業(yè)余科學家塔爾博特把墨底白圖象的負片與另一張感光的藥膜面相貼，然后曝光、顯影、定影，最后得到了無數(shù)張與原物影像一樣的正像，這種負片正片法一直延用至今，缺點是負片紙基厚，印出的照片清晰度差。以后，又發(fā)明用透明的片基代替紙基做負片并制成干板，逐漸改用醋酸纖維做負片，照片的質量有了很大的提高。攝影術的發(fā)展與照相機的發(fā)展是密切相關的。早在19世紀40年代，法國光學機械商將帶有渥拉斯頓型鏡頭的木制暗箱，裝上銀鹽感光片就誕生了第一架可供攝影用的照相機，當時總重量達110磅。1888年，美國業(yè)余攝影愛好者G伊斯曼(GEastman18541932）根據(jù)前人的經(jīng)驗，成功地制造出第一臺使用膠卷的“柯達”照相機。該照相機的重量縮小到只有2磅，已成為便于攜帶的旅游伙伴。隨后，按照攝影實踐的需求，照相機的技術性能不斷發(fā)展，光學機械結構進一步完善，并把電子技術開始應用于照相機上；現(xiàn)今照相機的發(fā)展已進入了光學精密機械與電子相結合的時代，并開拓了廣闊的市場。二、彩色攝影的構思在達蓋爾時代，照相機主要是用黑白片，黑白片是用黑、灰、白構成畫面中不同的階調、層次和對比，表現(xiàn)人物和大自然景物，構成了它獨特的藝術韻味，使照片產生豐富的藝術表現(xiàn)力。即使如此，它卻不能把五彩繽紛的彩色世界逼真、豐富地反映出來，也不能滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代科學技術的需求。早在1666年，牛頓（INawton16421727）就發(fā)現(xiàn)一束太陽光通過棱鏡以后，能折射成紅、橙、黃、綠、藍、青、紫的光帶。這說明太陽光是由各種不同顏色的色光所組成的。這為彩色攝影的構思奠定了基礎。1907年，法國的留米埃爾公司開始研究彩色片。其原理是由紅、綠、藍三色的微小透明顆粒分布在玻璃感光片上，曝光時，各色影象分別透過三色微粒，使銀鹽感光，然后采用反轉沖洗法使之成為正象，如同今日的幻燈片，此法后來轉變成彩色電視的基礎。1912年，美國柯達公司，用上述方法進一步研究效果不佳，后來放棄此法。1930年，美國兩位音樂家曼納斯和小哥多斯基投身彩色攝影的研究工作，與柯達公司技術人員合作，在1935年成功地制成柯達克羅姆彩色膠片，奠定了彩色攝影的基礎，開始向市場供應135彩色膠片。與此同時，矯克發(fā)公司也成功地制造出了新的彩色膠片，它們的不同點是柯達克羅姆彩色片的化學染料是在沖洗時介入膠片內的，而矯克發(fā)彩色片是在感光藥膜中含有化學染料。以后，柯達公司也采用了矯克發(fā)的方法，1940年推出愛克泰克羅姆（反轉片），1942年又推出柯達彩色負片。1948年，美國波拉羅(Polawoid)公司首先試制成功的一次成象技木，在十幾秒或幾十秒內就可直接從照相機里取出照片，這是攝影史上劃時代的發(fā)明。在此基礎上，世界各國相繼不斷推出各種不同的彩色膠片和彩色相紙。有美國的柯達，德國的矯克發(fā)，日本的富士、柯尼卡，中國的樂凱、申光、福達等。隨著現(xiàn)代科技水平的日新月異，微電腦和激光技術對攝影術產生了不可估量的影響，攝影術已完全進入光學，精密機械，電子技術緊密結合的時代，暗房技術也逐步實現(xiàn)高度系列化、機械化和自動化，這些條件的具備簡化了影像的還原過程，人們可以免去繁雜的技術處理，攝影術已成為人們認識世界和改造世界的有力工具。三、全息照相術的誕生不論是黑白照相，還是彩色照相，它們得到的景物圖象都是二維空間的平面圖景，要想獲得與原物無異的立體圖景，全息照相技術就應運而生。早在1948年，匈牙利出生的英國物理學家伽柏（Dennis Gabor19001979）為了提高電子顯微鏡的分辨本領就曾提出全息照相的原理，他曾用汞燈作光源拍攝了第一張全息照片，1960年激光出現(xiàn)以后，全息技術獲得了迅速發(fā)展，現(xiàn)在已是一門應用廣泛的重要領域。全息照相的“全息”是指物體發(fā)出的光波的全部信息：即包括光波的振幅（或強度）和位相；因而全息照相能再現(xiàn)與原物完全無異的圖景。普通照相使用透鏡成象原理，底片上各處乳劑化學反應的深度直接由原物各處的亮度決定，底片上各點的明暗雖直接記錄了相應的射入光波的強度，但丟失了入射光光波的位相信息。由于全息照相的成象原理是把來自同一激光光源的光分成兩束，其中一束直接照到照相底片上，叫參考光，另一束用來照明被拍攝物體，物體表面上各處散射的光也射到照相底片上，這部分光叫物光，參考光和物光在底片上各處相遇時將發(fā)生干涉，所產生的干涉花樣既記錄了來自物體各處的光波的強度，也記錄了這些光波的位相，但全息照相獲得的底片并不直接顯示物體的形象。要觀察一張全息照片所記錄的物體的形象時，只需用照明激光沿原參考光的方向照射照片，即可看到在原物位置處的立體形象，而照片就象一個窗口一樣科學家們立即意識到：全息技術將會有一個十分廣闊的應用前景。如全息顯微術、全息X射線顯微鏡、全息電影、全息電視、全息干涉計量術、全息存儲，特征識別等，除了各種光學全息技術外，還發(fā)展了紅外、微波、超聲全息技術，這些全息技術在軍事、偵察或監(jiān)視上具有重要意義。如對可見光不透明的物體，往往對超聲波“透明”，因而超聲全息可用于水下偵察和監(jiān)視，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損探傷等。由于全息技術這些誘人的應用前景，立即引起人們廣泛的興趣和極大的注意力，科學家們正在致力于開拓這一應用領域。