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2、，而鏡面隱然有跡，所以於光中現”,元代考古家吾邱衍：,“光隨其銅之清濁而分明暗也”,清代物理學家鄭複光：,“理乃在凸凹，不系清濁”,西漢“透光” 鏡,一、千古之謎,西漢“透光”鏡,日本“魔鏡”,中國“透光鏡”和日本“魔鏡”,西漢“透光” 鏡,“刮磨法”,二、“透光” 奧秘,周總理生前指示（1961年）：,為什麼會透光，要研究,1974-75年，上海交通大學 西漢“透光”鏡研究組揭開了 西漢古銅鏡“透光”奧秘！,複原“鑄磨法”原始工藝,複製鏡,反射圖像,複製出西漢“透光”銅鏡， 可與傳世珍品媲美！,交大材料系盛宗毅教授等完成,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,日本“魔鏡”,西漢“透光”鏡,比
3、較與推測,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,“透光” +放大,西漢“透光” 鏡,汽車凸面反光鏡,小鏡子看大視野,二、“透光” 奧秘,西漢“透光” 鏡,反光镜看大視野,放大,二、“透光” 奧秘,為什麼會“透光”？,銅鏡表面什麼樣？,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,二、“透光” 奧秘,鐳射干涉法拍攝“透光”鏡表面的曲率分佈,“透光”鏡表面形貌鐳射干涉實驗,平凹透鏡,透光鏡,半透鏡,屏,西漢“透光” 鏡,光學眼睛來看！,二、“透光” 奧秘,空氣層,“透光”鏡表面形貌鐳射干涉實驗,該實驗由上海交通大學物理系古科技研究組完成,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,“透光”鏡表面曲率分佈,採用鐳
4、射干涉法拍攝的“透光”鏡表面曲率分佈圖,西漢“透光” 鏡,如何讀出資訊？,光線疊加加、減法！,二、“透光” 奧秘,空氣層,“透光”鏡表面形貌鐳射干涉實驗,平凹透鏡,透光鏡,西漢“透光” 鏡,光學尺測量銅鏡表面,二、“透光” 奧秘,空氣層,“透光”鏡表面形貌鐳射干涉實驗,平凹透鏡,透光鏡,光程差d,等厚干涉,西漢“透光” 鏡,明紋,暗紋,二、“透光” 奧秘,兩列同相波疊加=干涉相長=明紋,兩列反相波疊加=干涉相消=暗紋,干涉相長和相消的模擬動畫,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,關於牛頓環干涉條紋的討論,下壓平凹透鏡,凸面銅鏡的干涉條紋,牛頓環條紋：同心圓,條紋向外擴展,西漢“透光” 鏡,二
5、、“透光” 奧秘,關於牛頓環干涉條紋的討論,上提平凹透鏡,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,牛頓環應用實例,西漢“透光” 鏡,檢驗透鏡表面品質,透鏡表面曲率均勻,透鏡表面曲率不均勻,二、“透光” 奧秘,銅鏡表面曲率變大， 條紋如何變化？,關於牛頓環干涉條紋的討論,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,關於牛頓環干涉條紋的討論,銅鏡表面曲率變小， 條紋如何變化？,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,k,級,條紋局部向外彎曲,k,級?,尋找相同厚度,關於牛頓環干涉條紋的討論,銅鏡表面小區域曲率變大，條紋如何變化？,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,如何從干涉條紋讀出“透光”鏡表面曲率資訊
6、？,紋飾信息,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,讀出兩個黃環之間的表面曲率分佈資訊,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,干涉條紋向外彎曲,局部表面有小凸起,讀出兩個黃環之間的表面曲率分佈資訊,向外彎曲,條紋基底,干涉條紋基底,在全凸的鏡面上分佈著局部的小凸起,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,鏡面上等高線,等高線的尺100m,鐳射尺l/2,l= 632.8nm,干涉條紋地形圖的等高線,西漢“透光” 鏡,地圖上等高線,100m,100m,二、“透光” 奧秘,干涉條紋=地形圖的等高線,從等高線讀出山體地形,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,小區域凸起處條紋 外移五、六級,表面凸起形成
7、的空氣薄膜厚度為:,小區域凸起有多高?,條紋外移5-6級,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,讀出兩個黃環之間的表面曲率分佈資訊,在全凸的鏡面上分佈著局部的小凸起,類比：雞蛋的全凸表面,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,西漢“透光” 鏡,銅鏡表面什麼樣？,銅鏡的全凸表面,二、“透光” 奧秘,估算曲率較大區域的曲率半徑平均值,代入:,r=600 mm,R=900mm,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,銅鏡表面發散不一,發散度小,發散度大,曲率大,曲率小,西漢“透光” 鏡,二、“透光” 奧秘,厚處曲率小,薄處曲率大,厚處曲率小,平行光反射后發散成像,反射屏,西漢“透光” 鏡,銅鏡表面是如
8、何形成的？,如何複製出“透光”鏡？,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,三、成型機理,三、成型機理,“透光鏡”,關於“透光鏡”表面曲率形成機理的討論,“透光鏡”的製作工藝早已失傳!,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,漢見日之光鏡,六朝壽昌鏡,歷代銅鏡回眸,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,隋末唐初索月鏡,唐海壽葡萄紋鏡,歷代銅鏡回眸,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,唐雙鳳羧倪紋鏡,唐雀繞花枝紋鏡,西漢“透光” 鏡,歷代銅鏡回眸,三、成型機理,明洪武二十二年鏡,清琺瑯龍紋背玻璃鏡,西漢“透光” 鏡,歷代銅鏡回眸,三、成型機理,唐代之後的眾多銅鏡變平、變大，紋飾更複雜，更奢華，卻再也不能“透光”！,工藝失
9、傳，成型機理？,西漢“透光” 鏡,“透光” 銅鏡,一、千古之謎,我國西漢“透光鏡”製作工藝早已失傳，“透光”機理？,歷代對“透光”原理的研究,三、成型機理,關鍵結構,唐代之後的眾多銅鏡再也不能“透光”！,失傳了什麼？,凸面鏡,闊厚的鏡緣,較薄的鏡體,同心圓紋飾,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,西漢“透光” 鏡,西漢“透光”鏡的正、反面,二、“透光” 奧秘,凸面鏡,較薄的鏡體,闊厚的鏡緣,同心圓紋飾,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,銅鏡內儲藏鑄造殘餘應力（矩）,鑄造後，鏡緣和鏡體的冷卻速度不同,闊厚的鏡緣,較薄的鏡體,鑄造殘餘應力（矩）的由來,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,1.“透光”銅鏡,鑄
10、造殘餘應力（矩）分析,較薄的鏡體,闊厚的鏡緣,隔離體力圖,三、成型機理,1.“透光”銅鏡,鑄造殘餘應力（矩）分析,隔離體力圖,較薄的鏡體,闊厚的鏡緣,“透光” 銅鏡,三、成型機理,研磨銅鏡至很薄，剛度下降，鑄造殘餘應力（矩）才得以作功,研磨“透光”！,（薄處1mm）,怎樣才能使銅鏡“透光”呢？,造成鏡面曲率差異,三、成型機理,曲率差異,鏡背紋飾,一一對應,西漢古銅鏡全凸型鏡面的成型機制,西漢“透光” 鏡,原始工藝！,三、成型機理,-研究者曾對一枚不透光的珍藏古銅鏡做研磨實验,並將其成功地研磨至“透光”!,古鏡正面,古鏡反面,一個真實、有趣的驗證實驗,有闊厚的鏡緣,西漢“透光” 鏡,三、成型機理
11、,鑄造成因，研磨透光！,古銅鏡經過研磨確可“透光”!,復古工藝獲得驗證,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,雷達接受器抛物面變形問題,西漢“透光” 鏡,西漢“透光”古銅鏡研究,金屬學報1976,12(1):13-22,“透光”機理的應用舉例,三、成型機理,應用:雷達接受器抛物面變形問題,西漢“透光” 鏡,西漢“透光”古銅鏡研究,金屬學報1976,12(1):13-22,殘餘應力究竟有多大？,西漢“透光” 鏡,四、實驗測試,四、實驗測試,三、成型機理,鑄造殘餘應力（矩）分析,較薄的鏡體,闊厚的鏡緣,隔離體力圖,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,鑄造殘餘應力（矩）分析,隔離體力圖,較薄的鏡體,闊厚的鏡緣
12、,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,鑄造殘餘應力（矩）分析,隔離體力圖,較薄的鏡體,闊厚的鏡緣,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,鏡緣和鏡體之間的殘餘應力究竟有多大？,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,Fn,Mt,平衡力,鏡緣和鏡體之間的殘餘應力分析,殘餘應力歸結為：Fn、Mt、mt,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,西漢“透光” 鏡,三、成型機理,鏡緣和鏡體之間的殘餘應力分析小結：,已解得關係式：,西漢“透光” 鏡,應用電測釋放殘餘應力法可測得鏡緣應變代入材料力學有關公式,可估算出:,上海交大力學系完成,西漢“透光” 鏡,四、實驗測試,
13、銅鏡“透光” 蘊含的物理,銅鏡“透光”的奧秘,鐳射干涉法測銅鏡的表面形貌,分析銅鏡內鑄造殘餘應力分佈,熱脹冷縮造成鑄造殘餘應力,“透光” 銅鏡,三、成型機理,據材料力學,彎矩在截面上產生的應力和應變的關係：,應變,“透光” 銅鏡,三、成型機理,總的徑向應力為,根據虎克定律：,應變值,再代入公式：,中華古科技瑰寶中的物理,做中學”國寶型”物理教具,華夏文明具有5000年的悠久歷史，提起中華民族的祖先對人類科學技術的貢獻，人們都會想到四大發明：指南針、造紙、火藥與活字印刷。然而，除此之外，中國古代文物也往往包含許多科技成分，在技術上達到的水準遠遠超過西方世界，其中蘊涵的科學原理始終淤積在歷史的長河
14、之中不為人知，直到當代採用現代的科技手段進行分析研究才大白於世。不少古代科技成就的精妙之處即使在今天看來也不由得擊掌欽歎，而一想到它們均面世於幾千年之前，其時現代科學原理尚未創立，也沒有先進的測量、分析手段，更令我們心靈震憾，為我們祖先超前時代的聰明才智而深感自豪趙凱華物理學照亮世界第十篇,大學物理拓展與應用嚴燕來等，高教社，2002,物理學照亮世界趙凱華，高教社，2005,相關的文章和出版物,西漢古銅鏡“透光”奧秘解析，大學物理, 2001, 20(10):34-38,魚洗振型淺析，大學物理, 1996, 15(2):43.,中華古編鐘的樂鐘性質研究，大學物理, 2004, 23(2):53-58,從魚洗到海嘯，大學物理，2006，25（3）：50-54,中華古科技瑰寶中的物理,中華古科技瑰寶引以為豪，發揚光大！,謝謝！,中華古科技瑰寶中的物理,
