中国科学技术通史（套装五卷本） 中国古代物理知识与物理实验
中国古代物理知识与物理实验
中国古代物理知识与物理实验
-中国科学技术通史（套装五卷本）
中国古代物理知识与物理实验
刘树勇　关增建
一、力学方面
二、声学方面
三、光学方面
四、电磁与热学
中国古代没有当代意义上的物理学。但古人在漫长的探索自然的过程中，逐渐发展起了与今言之物理相关的一些技术，还做出了一些颇具特色的实验工作，促进了相关知识的发展，加深了人们对自然的认识。这些技术和实验，在近代物理学所对应的研究领域中，有不同的表现。本篇依据近代物理学研究领域分类，对之做简要介绍。
弓（包括弩）是古代一种重要武器，对弓弩的重视，使得古人孜孜不倦地探求其制作之道，并由此形成了定量测试弓体弹力的方法。这些方法，包含了丰富的物理知识。
古人测弓体弹力，目的有二，一是得到弓体的额定弹力（即弓弦拉到规定长度时弓体所产生的弹力），以之作为表征弓的性能的定量标准。古人经常以钧石这些重量单位表示弓的弹力。宋人沈括说：“挽蹶弓弩，古人以钧石率之。”另一目的是利用弓力测定来保证弓弩的制作符合要求。《考工记》中已经涉及对弓弹力的测量问题，其“弓人为弓”条说：“角不胜干，干不胜筋，谓之叁均。量其力，有三均，均者三，谓之九和。”所谓角、干、筋，都是制作弓体的材料。制作要以坚韧之木或竹为干，内衬以角，外附以筋，张以丝弦而成。角、干、筋对弓的弹性都有影响。角不胜干，干不胜筋，指的是三者均等的理想情况（“三均”）。在这三者对弓的弹力贡献一样大的情况下，弓的性能最好。这就要通过测量来确保对弓的制作能够实现这一点。“量其力”表明当时人们已经掌握了测试弓体弹力的方法。
如何通过测定弓的弹力来确保弓的制作能够达到上述两个目的呢？东汉郑玄在注解《考工记》的这一条时，提供了解答第一个问题的线索：“叁均者，谓若干胜一石，加角而胜二石，被筋而胜三石，引之中三尺。假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺，故书胜。”根据郑玄的注，古人在测定弓体弹力时，首先松开张紧在弓上的弦，让弓处于松弛状态，再用绳系在弓的两箫（即弓两端架弦之处，也叫峻），保持弓不受力，然后在绳上悬吊重物，调节物体重量，使得弓被拉开的长度为三尺，这时物体的重量就反映了弓的弹力的大小。若物体重为三石，则该弓弹力为三石，此即郑玄所谓之“三石力弓”。这样就能保证弓达到额定弹力。
唐代贾公彦在郑玄注之后对之又作了进一步疏解：“此言谓弓未成时，干未有角，称之胜一石；后又按角，胜二石；后更被筋，称之即胜三石。引之中三尺者，此据干角筋三者具总，称物三石，得三尺。若据初空干时，称物一石，亦三尺；更加角，称物二石，亦三尺；又被筋，称物三石，亦三尺。郑又云假令弓力胜三石，引之中三尺者，此即三石力弓也。必知弓力三石者，当弛其弦，以绳缓擐之者，谓不张之，别以一条绳系两箫，乃加物，一石张一尺，二石张二尺，三石张三尺。”根据贾公彦的疏解，测定过程是这样的：开始要先选择合适的弓干，使其在悬一石重的物体时，恰被引至三尺。然后在弓干上衬角，衬后悬二石重物体，使其亦被引至三尺，之后，在弓干上附筋，然后悬三石重物体，如果这时也恰被引至三尺，则说明角、筋、干三者对弓刚性系数的作用相等，这就达到了古人所说的“三均”，也就确保了最后制成的弓符合质量要求。
这种做法是有道理的。我们知道，物体在发生弹性形变时，它所受的外力在量值上等于其刚性系数与形变的乘积，而在上述测量中，弓的形变量是保持不变的，这样通过衬角、附筋以后，弓的刚性系数的改变就唯一地与所悬外物的重量成比例了，因此可以通过所悬外物重量直接判定角、筋、干三者的组合是否符合要求，从而确保制成的弓满足规定性能。按照这种程序制做的弓额定弹力是一定的，这就使得它符合标准化的要求，具有通用性。对于古代战争而言，这是非常重要的。
从物理学史角度来看，古人对弓体弹力的测定很有意义。在一般情况下，用衡器测物重，实际上测出的是质量，而这里测出来的却是实实在在的力。衡器测重依据的是杠杆原理，弹力测定则遵从的是弹性定律（也叫胡克定律），这是不一样的。
另外，古人在测量时限定把弓引长至三尺的做法也十分巧妙，这一方面可以直接得到弓的额定弹力，另一方面，也省去了制做弓弩时每次测量中繁琐的形变量的计算，还不必考虑形变是否在弹性限度之内，而且能够保证制做出来的弓弩符合要求，这是很科学的。
尤为有意义的是，郑玄注提出：“每加物一石，则张一尺。”贾公彦的疏解又进一步对之加以说明：“加物一石，张一尺；二石张二尺，三石张三尺。”这些注疏意味着他们已经把弓所悬物重与其被拉开的程度联系起来，沿着这条路发展下去，不排除有发现弹性定律的可能。只是，由于中国传统文化中缺乏探究定量化的自然规律的传统，古人未能沿着这个方向发展下去。
值得提出的是，古人还把弓体弹力测试作为一种手段，用于弓弩的设计之中。具体例子是这样的：
魏丕作场使，旧制床子弩止七百步，上令丕增造至千步，求规于信。信令悬弩于架，以重坠其两端，弩势圆，取所坠之物较之，但于二分中增一分，以坠新弩，则自可千步矣。如其制造，果至千步，虽百试不差。
这是南宋江少虞在其《事实类苑》中记载的北宋时期的一则轶闻，它反映了古人通过测定弓体弹力来定量改进弓弩射程的一次尝试。这种尝试是合乎逻辑的，因为弩的射程远近当然与其弹力的大小有关，要提高射程，只有从增加弹力着手。这里我们来分析一下古人的这种尝试是否合理。
在这条史料中，原床子弩的射程为700步，皇帝命令要将其增加至1 000步，即射程要达到原来的1.43倍，近似于1.5倍。对此，设计者采取的解决办法是，使弩的弹力“于二分中增一分”，也达到原来的1.5倍。这就是说，在设计者的心目中，弩的射程与其弹力是有线性关系的。
实际情况怎么样呢？我们知道，弩的射程主要取决于弩箭的初始速度v，v的获得是由于弩的弹性势能在发射过程中转化成了箭的动能所致。若弩的刚性系数为k，额定形变量为x，箭的质量为m，则其额定弹性势能为（假设弩的形变完全是弹性的），可以认为这一势能在发射时完全转化为箭的动能。显然，在弩的形变量x固定不变的情况下（因为弩箭长度是不变的），箭的动能与弩的刚性系数k成正比，即箭的初始速度v与弩的刚性系数k的平方根1/k成正比。由此，知道了弩的射程与箭初始速度的关系，也就可以得出弹力与射程的关系了。
从古人测试的基本条件来看，应该是将弩在地平面上，以仰角α向前，然后测试其射程。从物理学上我们知道，这时弩箭的理论射程为：
即在发射角固定的情况下，射程S唯一地与箭初始速度v的二次方成正比，亦即S与箭的初始动能成正比。而根据前面的分析，在弩的形变量固定的情况下，箭的动能E与弩的刚性系数k具有线性关系，由此，射程S与刚性系数k也具有线性关系。显然，如果使弩的弹力在形变量不变情况下提高到原来的1.5倍，这意味着k提高到了原来的1.5倍，于是射程S也就自然达到了同样的1.5倍。在这种情况下，本条史料所述之设计就成为切实可行的了。
在上述讨论中，我们没有考虑空气阻力及弩的非弹性形变因素。在这类粗略估算中，这样做是可以的。通过对上述情况的分析，我们得知，尽管古人对于弩的射程与其弹力之间关系的认识未能明确表达并记录下来，但他们毕竟从定量角度对之做了探讨，找到了弩做斜上抛发射时弹力与射程之间的正确联系，并在实践中得到了验证，这是应予肯定的。这也是中国古人测定弓体弹力所得到的一个重要理论成果。
中国古代力学知识发展过程中，古人通过大量实验，最终实现了对物理学上非常重要的杠杆原理的把握，这是值得一提的。我们这里所要考证的，是古人何时实现了对这一重要原理的把握。
古人很早就开始使用杠杆了，并且从经验中知道使用杠杆可以省力。他们把杠杆叫做桔槔。先秦著作《庄子》记载了这样一件事：
子贡南游于楚，反于晋，过汉阴，见一丈人方将为圃畦，凿隧而入井，抱瓮而出灌，搰搰然用力甚多而见功寡。子贡曰：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多，夫子不欲乎？”为圃者仰而视之曰：“奈何？”曰：“凿木为机，后重前轻，挈水若抽，数如泆汤，其名为槔。”
这里说的“槔”就是桔槔。从子贡所说的“用力甚寡”来看，当时的人对杠杆省力有很清晰的认识。但知道杠杆省力，会使用杠杆，并不意味着掌握了杠杆原理。杠杆原理是一条定量化了的物理原理，必须了解了其中的定量关系，才能认为掌握了它。中国古人是在大量称重的实践中把握了杠杆原理了的。
古人称重，所用仪器最早是天平，后来又用杆秤。用这些衡器称重，所得结果实际是物质的质量，但人们在习惯上总是把称得的质量认为是物体的重量。为与古人知识状态相应，我们在叙述中对此二者也不加区分。
古人把各种测重仪器都叫做衡。《汉书·律历志》说：“衡权者，衡，平也；权，重也。衡所以任权而均物平轻重也。”衡的形式包括等臂天平、不等臂天平和杆秤。相应地，权就是砝码或秤砣。衡器的三种形式有一个演变过程，这一过程与人们对杠杆原理认识的深化及巧妙应用分不开。
衡器出现的时间很早，最初的形式是等臂天平。目前，考古发掘的较早而且完整的权衡器是湖南长沙左家公山一座战国时代楚墓中的木衡铜环权，那是个等臂天平。环权制作精细，大小成套，显然是作为砝码来用。这反映春秋战国时期，等臂天平是得到普遍应用的。《汉书·律历志》说：“权与物钧而生衡。”权与物等重，衡器就平而不斜，这只能指等臂天平。
《淮南子·主术训》说：“衡之于左右，无私轻重，故可以为平。……夫权轻重，不差蟁首。”这也是指精度很高的等臂天平。在左家公山出土的铜环权中，最小的重不足一克，这表明当时天平的确达到很高精度。
等臂天平的出现，是基于直观思辨的结果。等臂天平支（或悬）点在中央，两臂等长；若两端悬挂重物不等，它必然会向重的一侧倾斜。这是很直观的。《淮南子·说山训》说“重钧则衡不倾”，指的就是这种现象。《慎子》说：“权左轻则右重，右重则左轻，轻重迭相橛，天地之理也。”“右重则左轻”，应为“左重则右轻”之误。“天地之理”是自然而然之意。古人制作天平依据的就是这种“天地之理”。显然，等臂天平的出现，不能作为古人已经掌握了杠杆原理的依据。只有当古人能够用不等臂天平或杆秤进行称重的时候，我们才可以断定他们掌握了杠杆原理。
等臂天平使用时间很长，直到《汉书·律历志》还要把它作为衡器主要形式加以记载，此即“五权制”：“权者，铢、两、斤、钧、石也，所以称物平施，知轻重也。……五权之制，以义立之，以物钧之，其余小大之差，以轻重为宜。”这种五权制是一种大天平制度，它的砝码可以大到以石相论。
古人在探索衡器新的形式时，作为这种探索的初级产物，不等臂天平应运而生。最早从理论上探讨不等臂天平的，当属《墨经》，《墨经》中有下述记载：
《经》：“衡而必正，说在得。”
《说》：“衡：加重于其一旁，必捶，权重相若也相衡。则本短标长，两加焉，重相若，则标必下，标得权也。”
引文中“则本短标长”中的“则”，作如果讲。“则”的这种用法，在古书中是又旁证的。例如，《左传·定公八年》有“公子则往，群臣之子，敢不皆负羁绁以从！”这里的“则”即为“如果”之意。《墨经》这段话大意是说，在称衡物体时，天平一定要平正，这是由于物和权要相当。《经说》的意思是说：在天平一侧放置重物，天平必然倾斜，只有当物重和砝码重相等时天平才可能平衡。如果衡器两臂不等长，同时在两侧放置等重的砝码和重物，则臂长的一侧必然向下倾斜，这是因为它多得了权重的缘故。这一条后半段涉及不等臂天平的工作原理，而能够运用不等臂天平称重，必然掌握了杠杆原理，这是不言而喻的。
对《墨经》的上述理解，最好能有其他文献的旁证。我们在别的文献中也确实发现了古人用不等臂天平称重的信息。两宋之际吴曾《能改斋漫录》引《符子》的一段话，就与不等臂天平测重有关。原文为：“《符子》曰：朔人献燕昭王以大豕，曰养奚若。……王乃命豕宰养之。十五年，大如沙坟，足如不胜其体。王异之，令衡官桥而量之，折十桥，豕不量，命水官浮舟而量之，其重千钧。”“衡官”，专职称重的官员。“桥”，即战国时代所谓之桔槔。刘向《说苑·反质》载曰：“为机，重其后，轻其前，命曰桥。”由此，“桥而量之”，即利用杠杆方式称重。这一记载与《墨经》相互参校，说明当时人们已经知晓杠杆原理。
图1　“王”铜衡与“王”铜衡称重示意图
最有力的证据应该来自考古发现。在我国现存的古代衡器中，中国国家博物馆藏的两件战国铜衡，就是作为不等臂天平使用的。这两件衡的衡体扁平，衡长相当于战国时一尺，正中有鼻纽，可以悬吊使用。纽孔内有沟状磨损，显示它是经过长期使用的。衡正面有纵贯衡面的十等分刻度线。衡上刻有“王”字，因此人们称其为“王”铜衡。“王”铜衡的鼻纽孔在正中，这符合等臂天平的特点。但等臂天平不需要在衡面上标出刻度线，纵贯衡面的十等分刻度线，使它具有了不等臂天平的功用。在使用时，物和权分别悬挂在两臂，找得一定的位置使之平衡，从悬挂位置的刻度和权的标重，就可以计算出所称物的重量（如图1所示）。文物专家刘东瑞对之做过研究，证明这两件衡器可以作为不等臂天平使用。
“王”铜衡与上述文献记载相互参校，可证我国先民至晚在战国时期已经掌握了杠杆原理。
运用不等臂天平进行测量，较之等臂天平，有一定的优越性。首先，这在原理上是一种突破。它标志着古人已经掌握了杠杆原理，这为称重仪器的改进奠定了科学基础；其次，测量数据由离散的变为连续的；第三，测量范围有了大幅度增加，不再仅限于砝码的量级。但是这种方法也有其不便之处，主要是它每次都需要经过运算才能得出结果，这就限制了它的被推广使用。经过长时间的探索，一种新形式的衡器——提系杆秤出现了。这种衡器的出现，标志着古人对杠杆原理的运用，已经达到炉火纯青的地步。对于衡器而言，表达杠杆原理的数学公式可以通俗地写成：
权重×权臂=物重×物臂
就“王”铜衡而言，权重是固定的，其余的3个因素是可变的，由此，要确定物重，就必须经过运算。而在提系杆秤中，权重是固定的，物臂长也是固定的，这样，物重变化与权臂长变化就有一个正比关系，因此，物体的重量可以单一地由权臂相应长度表示出来，即对重量的测量转化成了对相应权臂长度的测量，这就带来了莫大的优越性。南宋陈淳对提系杆秤的使用有个形象的说明：“权字乃就秤锤上取义。秤锤之为物，能权轻重以取平，故名之曰权。权者，变也。在衡有星两之不齐，权便移来移去，随物以取平。”移来移去，这正是变重量测量为长度测量的特征。这一特征使得称重变成简单易行之事。
天平的测量数据是离散的，而提系杆秤不需经过换算即可得到所需要的连续分布的测量数据，这是它较之天平优越的另一特点。但是，提系杆秤的灵敏度比之精心设计的天平要逊色些，但这对一般的民用而言并不重要。因为提系杆秤具有如此诸多长处，在它出现后，很快得到普及，成为中国古代最常见的衡器。提系杆秤是古人成功运用杠杆原理的范例，是古人智慧的结晶。
早在先秦时期，古人就对物体的浮沉特性有所认识，并在生产实践中有十分巧妙的应用。如在《考工记·矢人》篇中，“矢人”在确定箭杆各部分的比例时，采用的方法是：“水之，以辨其阴阳；夹其阴阳，以设其比；夹其比，以设其羽。”就是说，把削好的箭杆投入水中，根据箭杆各部分在水中浮沉情况，判定出其相应的密度分布，根据这一分布来决定箭的各部分的比例，再按这个比例来装设箭尾的羽毛。
《考工记·轮人》篇在规定车轮制作规范时，也应用了浮力。车轮要“揉辐必齐，平沈必均”，“轮人”的办法是：“水之，以眡其平沈之均也。”意思是说，要测量木制轮子是否均匀，要把它放在水中，看浮沉程度是否一致。如果浮沉程度一致（“平沈”），轮子各处质量分布必然均匀（“必均”）。
先秦时期人们还能应用浮力定量测定物体的重量。前引晋代《符子》一书记载的“浮舟量之”故事，其本意就是利用水的浮力来测定朔人进献给燕昭王的那头其重无比的大猪的重量。如果《符子》的记载真实，这是古人定量利用水的浮力的一个绝妙的例子。由此发展下去，就是脍炙人口的曹冲称象的传说了。
古人不但从经验的角度利用浮力，也从理论上对物体浮沉条件加以探讨，《墨经》中就有这方面的内容：
《经下》：“荆之大，其沈浅也。说在具。”
《经说下》：“荆：沈，荆之贝也，则沈浅，非荆浅也。若易，五之一。”
这里的“荆”同形，指形体。“沈”即沉。“具”为器具，可泛指中空而有容积的物体。“贝”当为“具”之误。《经》指出：物体的形体虽然很大，但因其中空，所以在水中下沉较浅。《经说》则解释道：中空的物体在水中沉下的部分浅，这并非物体本身浅，而是沉下水的部分所受的浮力等于全部物体的重量，这就像在市场上交换东西，5件甲物可以换来1件乙物一样。当然，由于《墨经》用词的简略，对这一条也还存在不同的解释，但无论如何，我们说墨家已认识到物体所受浮力跟它沉入水下部分的体积有关，这总是可以成立的。
《淮南子·齐俗训》以竹子为例论述：“夫竹之性浮，残以为牒，束而投之水则沈，失其体也。”竹子中空，投水中自然浮起，故说“竹之性浮”。把完整的竹子破开，削成竹牒，束成一捆，投入水中，则下沉，原因在于“失其体也”。即是说，竹子重量不变，但制作成竹牒后，其体积比起原来大为减少，投入水中以后所受浮力也大为减少，于是就不能浮起。显然，《淮南子》已经意识到物体所受浮力与其排水体积之间有密切关系。
古人还能巧妙地利用浮力。《宋史·方技传下》记载了怀丙和尚利用浮力的例子：“河中府浮梁，用铁牛八维之，一牛且数万斤。后水暴涨绝梁，牵牛没于河。募能出之者，怀丙以二大舟实土，夹牛维之。用大木为权衡状钓牛。徐去其土，舟浮牛出。”怀丙所为是利用浮力起重，可谓构思巧妙。
古人还利用浮力判定液体比重。同一物体浸在不同的液体中，它所受的浮力也不一样。唐代段成式在《酉阳杂俎》中提到：“莲实，莲入水必沉，唯煎盐碱卤能浮之。”这显然是由于水和盐卤的浓度不同。受此启发，古人发明了观察莲子的浮沉情况来判定液体浓度的方法。李约瑟在考证盐水浓度的测定法时，引用了11世纪姚宽所写的一段记事。姚宽在台州做官时，曾因调查盐商舞弊，每日用莲子确定盐卤浓淡。他选择较重的莲子供用。倘若十粒莲子，能由盐卤中浮出三四粒，就是浓盐卤。若浮起的数目不足三粒，则这盐卤稀薄。若全体莲子都沉在卤底，则该盐卤稀薄至极，即使经过蒸发，也得不到多少盐。这种方法不但巧妙利用浮力，而且还包含了一定的数理统计思想。
元代陈椿在《熬波图咏》中记载了一种专门用于测盐卤的器具。所用莲子叫作“莲管”：
莲管之法，采石莲，先于淤泥内浸过，用四等卤分浸四处：最咸卤浸一处，三分卤浸一分水浸一处，一半水浸一半卤浸一处，一分卤浸二分水浸一处。后用一竹管盛此四等所浸莲子四枚于竹管内，上用竹丝隔定竹管口，不令莲子漾出。以莲管吸卤试之，视四莲子之浮沉，以别卤咸淡之等。
用这种仪器可以对盐卤浓度进行分等。这种“莲管”与现代的浮子式比重计相近，其中4枚莲子相当于比重不同的色球，根据这些小球的浮沉情况便可判断液体的比重。
明末方以智记载了他的老师王虚舟对金、银、铜、铁在汞液中浮沉情况的观察：“虚舟子曰：《本草》言金银铜铁置汞上则浮，此非也。铜铁则浮，金银则沉。金银取出必轻耗，以其蚀也。”王虚舟的观察是准确的，这反映了古人对不同比重物体沉浮状态研究的深入。这段话还记述了汞对金、银的腐蚀作用，在化学史上也是有价值的。
喷水鱼洗是一种类似现今洗脸盆一样的古代铜盆。盆内刻有4条鱼，盆的上沿两侧有一对提耳。提耳的设置，便于提动鱼洗，但它同时又有另外一个功用，即当手掌跟它摩擦时，会发出嗡嗡响声，就像用弓拉弦能产生声音一样，因此人们又把它称为两弦。这种鱼洗有个特点，就是当里边盛有水时，以手摩擦其两弦，除发出嗡嗡响声外，盆内还能喷射出水柱，在水面形成浪花，显得十分神奇。喷水鱼洗实物，在现今杭州、大连、重庆等地的博物馆里，仍可见到。图2所示就是重庆博物馆藏喷水鱼洗（据李约瑟）示意图，洗的底部塑有4条鱼，鱼的口部刻有流线，流线至盆壁后沿盆壁一直延伸至盆的上沿。当用手摩擦盆的两弦时，水柱会沿着鱼口的流线喷涌而上，所以人们将其称为喷水鱼洗。
图2　重庆博物馆藏喷水鱼洗
在宋代文献中，出现了一些可能与喷水鱼洗有关的记载。例如王明清所撰的《挥麈前录》卷三就曾提到后晋石重贵向辽朝进献的两件宝物，其中有瓷盆一枚，“画双鲤存焉，水满则跳跃如生，覆之无它矣。”我们知道，喷水鱼洗在受到摩擦时，洗内的水因受迫振动而喷涌，恰似被其中的鱼搅动一般，这与《挥麈前录》的描写十分相似，由此基本上可以断定该器是一个喷水鱼洗。
宋代何薳在其《春渚纪闻》卷九引述《虏庭杂记》，也提到了石重贵向辽主进献的那个鱼盆，但说它是木制的，云：“鱼盆则一木素盆也，方圆二尺，中有木纹，成二鱼状，鳞鬣毕俱，长五寸许。若贮水用，则双鱼隐然涌起，顷之，遂成真鱼；覆水，则宛然木纹之鱼也。至今句容人铸铜为洗，名双鱼者，用其遗制也。”“隐然涌起”，似指在刚开始摩擦时水纹涌现的情形；“遂成真鱼”，则应指摩擦进行到一定程度，水柱喷出，就像水中真有鱼在喷水一样。这样的描述，应该能用喷水鱼洗作解。但是引文中说是木盆，当为误记，因为木盆很难有因震动而喷水的效果，而传世的实物也确实没有木制的。
这里需要强调的是，引文中提到，“至今句容人铸铜为洗，名双鱼者，用其遗制也。”它明确道出了喷水铜洗的传承。何薳生活于北宋末年，那时江苏句容一带已有人能制造喷水的铜质鱼洗，其源起正是晋出帝的瓷鱼盆。
它的名称最初称为盆，后来才叫铜洗或双鱼铜洗。再后来由刻画双鱼发展成刻画4条鱼，这表明人们对鱼洗振动的认识加深了。因为喷水鱼洗最基本的是喷起4道水柱，4条鱼配4道水柱，构思巧妙，富有艺术美形式。
需要说明的是，在《挥麈前录》和《春渚纪闻》的描写中，都没有提及需有人用手摩擦一事。这究竟是出于记载的疏忽，还是由于别的原因？比如说，该瓷盆原本就不是喷水鱼洗，它是根据某种光学成像原理制成的。这里我们做些分析。同样是在《春渚纪闻》卷九，何薳还记述了一个玛瑙盂，说该盂“圆净无雕镂纹”，其主人“用以贮水注砚，因闲砚（视）之，中有一鲫，长寸许，游泳可爱。意为偶汲池水得之，不以为异也。后或疑之，取置缶中，尽出余水验之，鱼不复见。复酌水满中，须臾一鱼泛然而起，以手取之，终无形体可拘。”这里提及的玛瑙盂，就引文对其描述而言，只能是依据光学原理制成的，因为它与摩擦和震动无关。可以看出，玛瑙盂有2个特点，一是无水时无鱼，注水后才能见到鱼，这主要是为了增加其神秘性；另一特点是虽然引文中也提“游泳可爱”、“泛然而起”字样，但总的来讲给人以静态感觉。这是因为人们看到的是鱼的像，自然不会感到盂中的水也在波动。相反，在前边提到的双鲤瓷盆则是“画双鲤存焉”，原来就雕刻双鱼在内。加水之后，“则双鱼隐然涌起”，“跳跃如生”，显得满盆都是浪花。这种效果非光学成像所能造成，只能是力学作用所致，所以我们认为该段描写讲的是喷水鱼洗。
鱼洗能够喷水，其道理何在？这当然与人手摩擦引起的洗的振动有关系。研究者发现，洗的振动属于板振动，是一种规则的类似圆柱形板的振动。人手摩擦洗的两弦，引起洗的周壁发生振动，手掌和两弦的摩擦就是洗发生振动的激励源，通过摩擦，赋予洗周面振动的能量。因为手掌和两弦的接触，使得该处总是处在振动波节位置。两弦对于洗中心是对称分布的，因此摩擦两弦引起的洗的振动只能是偶数节线（如4、6、8节线）振动。其振动情形如图3所示。
洗的周壁振动时，对洗内的水产生拍击作用，迫使水发生相应的和谐振动。在洗的振动波腹处，水的振动也最强烈，甚至由于受到波腹的拍击而喷起水柱，并在水面形成定向波浪。在洗的振动波节处，水不发生振动，浪花停止在波节线上，水面气泡和水珠也停泊在这些不振动的水面径线上（如图3所示）。这样，通过以手摩擦洗的两弦，就在洗内的水面上形成了有规则的波纹分布和水柱喷起。
图3　喷水鱼洗的振动图案
水是鱼洗振动的负荷体，水量的多少也影响到鱼洗振动节线的形成。因此，为使鱼洗产生不同数量的波浪和水花，必须适当控制注水量。从浙江省博物馆所藏的喷水鱼洗情形来看，大约注入鱼洗容量9/10、7/10和1/2的水，会使鱼洗分别产生4、6、8个驻波，即鱼洗分别做4、6、8节线的振动。其中4节线振动是鱼洗的基频振动，它激起的水柱最高，浪花最大。在鱼洗振动时，通过观察水面的波纹分布，可以看出水面不振动的节线，从而推知洗壁的节线位置。这样，喷水鱼洗就使弯曲板的振动成为可见。这在科学史上，的确是一重大发明。当然，还可以用干细沙代替水，这样观察起来效果更好。
应予指出的是，类似喷水鱼洗的器皿，在我国少数民族也曾被发现过。近人徐珂收集大量清代资料，编成《清稗类钞》一书，其中有一条名为“李子明藏古苗王铜锅”，原文如下：
古州城外河街，有陈顺昌者，以钱二千向苗人购一铜锅，重十余斤。贮冷水于中，摩其两耳，即发声如风琴、如芦笙、如吹牛角，其声嘹亮，可闻里余。锅中冷水即起细沫如沸水，溅跳甚高。水面四围成八角形，中心不动。传闻为古代苗王遗物。锅上大下小，遍体青绿，两耳有鱼形纹。后归李子明。
这段话，大概是历史上最早明确而又全面记录喷水鱼洗类器物的文字，它记述了该器物的形制：外形像一个平底锅，重十余斤，上大下小，两耳有鱼形纹；还说明了其声学性能：摩其两耳，会发出响亮的声音，可以传到一里以外。把喷水性能与声学效果相联系，这是以前文献所没有过的。“可闻里余”的说法，不管是否含有夸张成分，该铜锅声学性能良好，则是可以肯定的。声音嘹亮说明它的振动性能好，振动性能好则喷水功能强。引文接下去对铜锅喷水性能的描写，就证明了这一点。“水面四围成八角形，中心不动”一语，表明作者看到的该铜锅的振动模式是八节线振动。特别应予指出的是，这段话明确提到该铜锅是得自于苗人。“传闻为古代苗王遗物”，表明苗族同胞对该器的珍重；“遍体青绿”，说明其传世时间之久。苗族同胞在很久以前就制造出了具有如此良好喷水性能的铜锅，这是值得一提的。
在中国科技史上，声学包括2个方面，一是关于声音本质及其相关现象的解释及相关技术，另一是音律学知识及实践。有关音律方面的内容，我们另行讨论，这里侧重于介绍古人在第一个方面所做过的探讨。
中国古代对声音波动性的认识，远未达到近代科学的水平。古人对声音本性的探讨，从物理学角度来看，还处于对各类发声现象的描述和思辨的状态。但在这些描述和思辨中，不乏真知灼见，对声音的波动性，也有所触及。
古人探讨声的本质，有一个显著特点，就是与气的学说密切相关。这一方面是由于元气学说作为宇宙万物本原理论，广泛影响并深入到各门具体科学，另一方面也是由于古人在长期的观察实践中，体会到声音的产生、传播的确与气的存在分不开。这两方面的结合，有助于人们向正确认识声音的波动性方面发展。
早在先秦，《庄子》一书就已涉及自然界空气流动造成的发声现象，《齐物论》篇说：
夫大块噫气，其名为风。是唯无作，作则万窍怒号。……大木百围之窍穴，似鼻、似口、似耳、似枅、似圈、似臼、似洼者、似污者、激者、謞者、叱者、吸者、叫者、譹者、宎者、咬者，前者唱于，而随者唱喁。泠风则小和，飘风则大和。厉风济，则众窍为虚。
这一段，就列举了树木上各种各样的窍穴，说当它们受到风的吹击时，就会发出各种各样不同的声音。风有大小不同，声音也随之变化。当烈风止息时（济，作停止讲），由这些窍穴发出的声音也同时停止，万籁俱静，同处于虚静状态。
这段话把自然界一些声现象与空气流动结合了起来，是对这些声现象产生原因的一种解释，但这一解释与声的波动说无涉，因为流动、振动、波动毕竟是完全不同的概念。
《齐物论》篇又提到：“夫言非吹也，言者有言，其所言者特未定也。果有言邪？其未尝有言邪？其以为异于鷇音，亦有辨乎？其无辨乎？”鷇音，注者以为将要破壳而出之鸟音。吹，指上段空气的吹动。人讲话不同于风刮动时发出的声音，自然是因为话带有信息，可以起到交流作用。但语言的本质到底是什么？人讲话与刚破壳而出的小鸟的唧唧声究竟有什么不同？庄子此论，本意是要说明语言作为人们相互交流的工具，彼此间的差别是相对的，但它在无意中却可以启发人们想到：各种声音现象背后，有没有共同的本质存在？从今天的知识出发，我们可以肯定回答：各类声音，无不表现为空气的振动，这就是它们的共同本质。那么古人对此有什么样的认识呢？
东汉王充认识到声音现象是空气的一种特殊运动形式，他称其为“括”，说：
生人所以言语吁呼者，气括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故能成言。譬犹吹箫笙，箫笙折破，气越不括，手无所弄，则不成音。夫箫笙之管，扰人之口喉也；手弄其孔，犹人之动舌也。
生人，指活着的人。王充认为人的说话与箫笙之类乐器发音有内在的同一性，都表现为气的“括越”。这里的“括越”，应该理解为气的振动。
王充还谈到了声音的传播，他说：“人坐楼台之上，察地之蚁蝼，尚不见其体，安能闻其声。何则，蝼蚁之体细，不若人形大，声音孔气不能达也。”这是说，蝼蚁身体小，即使有声音，离人稍远也就不能听到，因为它传播的距离近。王充接着又说：“鱼长一尺，动于水中，振旁侧之水，不过数尺，大若不过与人同，所振荡者不过百步，而一里之外澹然澄清，离之远也。今人操行变气，远近宜与鱼等，气应而变，宜与水均。”一尺长的鱼，在水中游动，振起的水波，也不过向外传播百步远，一里之外，水面依然清澈平静。同样，人的行为（当然也包括说话）使周围气的状态改变，这一变化向外传播的范围，与鱼振荡水引起的水波向外传播情况也是类似的。值得注意的是：王充不仅用水波来比拟声音的向外传播，而且明确指出声音向外传播的方式是“气应而变”，即通过气与气之间的相互作用向外传播出去。这与我们今天对声波向外传播方式的认识是相通的。
既然声音是“气”的特殊运动方式，那么，如何让“气”通过其运动导致发出声音呢？《考工记·凫氏》记载人们制作乐器的方法，其中提到：
薄厚之所振动，清浊之所由出。
看来，人们已经知道钟体的振动是钟的声音的来源。钟所发出的音调的高低也决定于钟的振动。这种认识，就古人而言，是一种常识。从现代科学角度来看，毫无疑问也是正确的。
但是，《考工记》所言，只是古人经验的总结，如果深究起来，他们就难以说出所以然了。对此，北宋文学家欧阳修曾记载了这样一段诘难：
甲问于乙曰：铸铜为钟，削木为梃，叩钟则铿然而鸣，然则声在木乎？在铜乎？
乙曰：以梃叩垣墙则不鸣，叩钟则鸣，是声在铜。
甲曰：以梃叩钱积，则不鸣。声果在铜乎？
乙曰：钱积实，钟虚中，是声在虚器之中。
甲曰：以木若泥为钟，则无声。声果在虚器之中乎？
在欧阳修的文中，未见对甲所问问题的解答。就近代物理学而言，这些问题是不难得到解答的，而在古代经验知识的背景下，要说清这些问题，就难乎其难了。这个例子表明，古人对物体发声机制的认识，距离近代物理学，尚有相当大的距离。
唐末谭峭对声音特性的认识，在古代知识的范围内，值得一提。他在评价音乐的作用时说：
以其和也，召阳气，化融风，生万物也；其不和也，作以气，化厉风，辱万物也。气由声也，声由气也，气动则声发，声发则气振，气振则风行而万物变化也。
“气由声也”，是说音乐的作用决定于它所发出的声音。“声由气也”，则说声音本身的发出则决定于气。这两句话中的“气”含义不同，前者系指人之德行、操化之气，后者则指自然之气，可以理解为空气。谭峭明确指出，“气动则声发，声发则气振”，他把声音的产生及传播与气的振动联系起来，有助于人们对声音本质的认识。进一步，谭峭还对声音信息分布的弥散性做了描述，他说：
形气相乖而成声。耳非听声也，而声自投之；谷非应响也，而响自满之。耳，小窍也；谷，大窍也；山泽，小谷也；天地，大谷也。一窍鸣，万窍皆鸣；一谷闻，万谷皆闻。声导气，……气含声，相导相含，虽秋蚊之翾翾、苍蝇之营营，无所不至也。
形，指有一定形状一定质地的物体，它与空气相互作用而产生声音，“声发则气振”，而气是弥漫充斥于所有空间的，这样它势必以振动这种形式，将声音向四面八方传播开去，造成声音的弥漫分布。王充之论，涉及声音传播范围的有限；谭峭所言，则强调声音分布的弥散性。合二者而观之，可以获得对这一问题比较完整的认识。
明末科学家宋应星对于声音本质也做了内容较为广泛的探讨。和前人一样，他也是在气的学说基础上讨论声音的发生和传播等问题。他认为，气在空间中的弥漫分布，是造成声音现象的必要条件，但不是充分条件。他说：“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自为生。”要形成声音，必须对弥漫分布的气施以剧烈作用方可。这可以是“两气相轧而成声”，如风声；也可以是“人气轧气而成声”，如笙簧之类；还可以是“以形破气而为声”。对于后者，宋应星列举了飞矢、跃鞭、弹弦、裂缯、鼓掌、持物击物等发声现象进行论证，认为所有这些声音现象都是由于物体急速运动冲击空气而产生的。他特别强调说：“凡以形破气而为声也，急则成，缓则否；劲则成，懦则否。”（引文同上）理由是，“盖浑沦之气，其偶逢逼轧，而旋复静满之位，曾不移刻。故急冲急破，归措无方，而其声方起。”（引文同上）他这是从空气中之所以能形成声音的内部机制上去进行分析，所用语言尽管与近代科学相距还远，结论也未说到点子上，但他毕竟是从空气内部运动模式出发进行分析，标志着古人对声音本性的探讨进一步物理化了。
宋应星还讨论了声音的传播，他说：
物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。
将声音的向外传播比喻成水波的传播，这当然不够确切，因为声波是纵波，而水波则是由于表面张力和重力联合作用而产生的较复杂的波。但无论如何，这种类比是古人对声音波动性认识的自然表露，在当时历史背景下，也是一种比较好的说明，因而是有其一定历史价值的。
最后，我们考察一下古人对有关声音独立传播现象的记述和认识。清初揭暄在为《物理小识》卷一“气论”所作的注解中，对这一现象有所涉及，他说：
气既包虚实而为体，原不碍万物之鼓其中，而依附以为用也。凡诸有形色、有声闻，莫不赅而存之。天地之间，岂有丝毫空隙哉！……如风声、水声、人声、鸟声，诸乐作声，一时异响杂奏，历历伦类，不相蒙掩。即重垣昏夜间，十方一耳，可使达也。
这是说，空气是弥散分布的，声音在空气中的传播，当然也是弥散的，向四面八方，到处都有。但是这些弥散传播的声音，彼此之间都互不影响。在同一地点，由四面八方传来的声音可谓“异响杂奏”，但却“历历伦类，不相蒙掩”。揭暄所说的，实际就是声波的独立传播现象。至于这一现象被冠以原理二字，并从机制上得到阐明，则是人们对声音波动性的认识步入近代科学之后的事情了。
共鸣，物理学上也叫共振，是指一个物体振动时，另一个物体也随之振动的现象。发生共鸣的两个物体，它们的固有频率一定相同或成简单的整数比。
我国古人很早就发现并记载了共振现象。公元前三四世纪，《庄子·徐无鬼》中记载了调瑟时发生的共振现象：
为之调瑟，废于一堂，废于一室。鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。夫改调一弦，于五音无当也，鼓之，二十五弦皆动。
引文中的“废”，是放置的意思。这段话讲述了两种现象，前者是说在弹宫、角等基音时，置于一室的诸瑟相应的弦也发生振动。这是基音与基音之间的共振。后者是说如果调一弦，使它和宫、商、角、徵、羽五声中任何一声都不相当，弹动它时，另一个瑟上25根弦都动了起来。这是基音与泛音之间的共振。第二种现象一般情况下较难以察觉到，古人能发现这一点，说明他们的观察是很细致的。
西汉董仲舒还试图解释共振现象，他在《春秋繁露·同类相动篇》中写道：
百物去其所与异，而从其所与同，故气同则会，声比则应，其验皦然也。试调琴瑟而错之，鼓其宫则他宫应之，鼓其商则他商应之，五声比而自鸣，非有神，其数然也。
董仲舒认为，具有相同性质的物体可以相互感应，之所以会鼓宫宫动，鼓商商应，是由于它们声调一样，这是必然现象，没有任何神奇之处。董仲舒能正确认识到这是一种自然现象，打破了笼罩在其上的神秘气氛，是值得肯定的。“声比则应”的提出，有助于人们对于正确认识共鸣现象。
对共鸣现象做进一步探索的是晋朝的张华，他把共鸣现象范围推广到了乐器之外。据传当时殿前有一大钟，有一天钟忽然无故作响，人们十分惊异，去问张华，张华回答说这是蜀郡有铜山崩塌，所以钟会响。不久，蜀郡上报，果然如此。张华把铜山崩与洛钟应联系起来，这未必意味着他从共振的角度出发考虑这件事，用董仲舒“同类相动”学说也能解释：钟是铜铸的，铜山崩、洛钟应，是由于“同类相动”的缘故。可是，南北朝时宋人刘敬叔著的《异苑》中提及张华的另一件事，事情的原委如下：“晋中朝有人蓄铜洗澡盘，晨夕恒鸣如人叩。乃问张华。华曰：‘此盘与洛钟宫商相应，宫中朝暮撞钟，故声相应耳。可错（锉）令轻，则韵乖，鸣自止也。’如其言，后不复鸣。”这就明明白白是从共鸣角度作解的。
这里，张华不仅认定这是共鸣现象，还找到了共鸣源，提出了消除共鸣的方法。我们知道，用锉子锉去铜盆的一部分，就能改变其固有频率，使它不再和原来的声音成某种频率比关系，这就终止了共鸣的发生。可见，张华提出的消除共鸣的办法是有道理的。这种方法的提出，一定是建立在他对产生共鸣现象原因的正确认识的基础上的。
一些有经验的乐师也掌握了这种消除共鸣的方法。韦绚的《刘宾客嘉话录》就记载了唐朝曹绍夔消除共鸣的故事。曹绍夔开元年间曾任管理朝廷音乐的“太乐令”，他有一个朋友是僧人，该僧房中有一磬，经常不击自鸣，僧人忧惧成疾。曹绍夔闻知，前去探问，发觉斋钟叩鸣时磬也嗡嗡作响，于是告诉僧人他有办法，并要僧人次日设宴款待。次日饭毕，曹“出怀中错（锉），鑢磬数处而去，其声遂绝。僧问其所以，绍夔曰：‘此磬与钟律合，故击彼应此。’僧大喜，其疾便愈。”曹绍夔消除共鸣的方法与张华如出一辙。
到了宋朝，沈括开始用实验手段探讨共鸣现象，推进了古人对共振现象的研究。他在其《梦溪笔谈·补笔谈》卷一说：
琴瑟弦皆有应声：宫弦则应少宫，商弦则应少商，其余皆隔四相应。今曲中有声者，须依此用之。欲知其应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。声律高下苟同，虽在他琴鼓之，应弦亦震，此之谓正声。
“正声”，指合乎声律中频率要求的声，在此指音高相差整八度的音，即基音和泛音。在乐器中，二者也存在共振关系，但不易发现。沈括的实验就是为了证明这一关系。为此，他剪了一个小纸人，放在基音弦线上，拨动相应的泛音弦线，纸人就跳动，弹别的弦线，纸人则不动。这样，他就用实验方法，把音高相差八度时二弦的谐振现象直观形象地表现了出来。沈括的这个实验，比起欧洲类似的纸游码实验，要早好几个世纪。
沈括之所以能够成功地完成纸人共振实验，源于他对乐器共鸣现象的透彻了解。他在其《梦溪笔谈》卷六中也谈论过乐器的共鸣，说：
予友人家有一琵琶，置之虚室，以管色奏双调，琵琶弦辄有声应之，奏他调则不应。宝之以为异物，殊不知此乃常理。二十八调但有声同者即应，若遍二十八调而不应，则是逸调声也。……逸调至多，偶在二十八调中，人见其应，则以为怪，此常理耳。
二十八调，指当时民间燕乐常用的28种调式。逸调指在通用调式以外的调式。沈括指出：“二十八调但有声同者即应。”应的原因在于“声同”，这是常理。正是由于有了这种认识基础，他才能够设计并完成纸人共振演示实验。
明末学者方以智在其《物理小识》卷一中记述并发展了沈括的方法，他说：“今和琴瑟者，分门内外，外弹仙翁，则内弦亦动。如定三弦子为梅花调，以小纸每弦贴之，旁吹笛中梅花调一字，此弦之纸亦动。曹师夔（案：即曹绍夔）鑢磬，声不应钟，犹之茂先（案：张华）知铜山崩也。声音之和，足感异类，岂诬也者。”这里已经把共振与否作为“和琴瑟”的一种标志了。方以智还概括道：声音之和，足感异类，即只要声音特性一致（频率相同或成简单整数比），在不同器物上也能发生共鸣。张华、曹绍夔的实践已经证明了这一点，方以智则明确指出他们的发现与乐器上的共鸣具有同样的本质，都是由于“声音相和”引起的。方以智的这些话，标志着人们对共鸣现象本质的认识又深入了一步。
声音的传播可以在空气中进行，也可以在固体例如大地中进行。古人早就发现了声音能够在大地中传播的现象，并对之加以有效利用。古人对大地传声现象的利用，主要表现在军事领域。先秦著作《墨子》记载的埋坛入地以判断地下声源的方法，就是一个比较典型的例子。该书《备穴篇》在谈到防守敌军挖坑道攻城的办法时说：
穿井城内，五步一井，傅城足，高地，丈五尺；下地，得泉三尺而止。令陶者为罂，容四十斗以上，固幎之以薄皮革，置井中，使聪耳者伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之。
这段话大意是：如果敌军用挖坑道方式攻城，那么守军就应在城中挖井，沿城墙每5步挖一口井，紧挨着墙根挖。遇到高地挖1丈5尺深，低地则挖到水位下3尺。让陶工烧制大坛子，每个容积在40斗以上，坛口紧绷一层薄皮革，放置井中。使听觉灵敏者伏在坛口谛听，就可以判断出敌方挖坑道的方位，这样，守军就能够也挖坑道针锋相对迎击了。
《备穴篇》还介绍了另一种听声定位的方法，也是利用大地传声特点。具体办法是：
埋两罂，深平城，置板亓上，连板以井听。五步一密。
这段文字是说，在一口井里埋2个坛子，坛口跟城基相平，其上放板（亓，音qí，“其”的古体），使人侧耳伏板谛听。井的密度也是大约每5步一口。这种方法坛子埋设稍浅，易受干扰，传声效果不及前者。但因为是一口井里埋2个坛子，2个坛子之间稍有距离，根据它们的响度差可以大致判定声源的方向，再与相邻2个井里的坛声相比较，就可以比较准确地确定声源所处方位。所以这种方法在定向准确性方面要优于前者，而且操作简便。
地下声源定向装置在古代战争中常被采用，例如，宋代曾公亮在《武经总要》中，就图文并茂地介绍了“瓮听”与“地听”2种设施。该书卷十二《守城篇》说：
瓮听：用七石瓮，覆于地道中，择耳聪人坐听于瓮下，以防城中凿地道迎我。……地听：于地中八方，穴地如井，各深二丈，勿及泉，令听事聪审者，以新瓮自覆于井处，则凿地迎之，用熏灼法。
这些方法，史载者甚多，杜佑《通典》、茅元仪《武备志》等均有述及，是古代战争的传统方法。
古人还利用大地传声特点进行侦听。《武经总要》卷六《警备篇》记载了相应的侦察方法：
选聪耳少睡者，令卧枕空胡鹿，其胡鹿必以野猪皮为之，凡人马行在三十里外，东西南北皆响闻。其中每营置一二所，营中阔者置三四所，若孤镇铺栅各置一所，听子必频改易四，勿常定处所，仍以子将一人斡当，每日一替。
所谓“空胡鹿”，实际是用野猪皮绷起来的硬空筒，它相当于一个“拾音器”，当周围二三十里内有军马活动时，声响沿地面传来，在空筒内产生回响，被枕者感知，发出警报，就可以起到警备作用。因为声波沿大地传播时，其能量传输比在空气中要大得多，因此用这种方法监听的范围比直接在空气中监听也要大得多。
沈括在其《梦溪笔谈》卷十九中说：
古法以牛革为矢服，卧则以为枕。取其中虚，附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之。盖虚能纳声也。
“矢服”是指盛箭的箭筒。头枕箭筒睡觉，远处人马行动，可以听到，从而预做准备。沈括认为这是由于箭筒中间是空的，“虚能纳声”。这种说法，在某种程度上是对的。箭筒的功用，相当于一个“拾音器”，“中虚”是它能够“拾音”的主要原因。所谓“纳声”，包括两种情况，一是人马行动声音中总有与筒内空气柱相当的声波波长，从而与筒内空气柱发生共振。另外，对于大量不能发生共振的声音，光滑的箭筒内壁具有良好的声反射性能，这就使得在筒内形成较强的余音效果，便于为人耳所感知。但是这一切，都是以有声音传来为前提条件，沈括是用“虚能纳声”来解释为什么士兵睡觉时要头枕箭筒，“附地”二字表明他已经认识到这个问题的关键在于大地能够传声。
“虚能纳声”现象不但被古人用以接收大地传播的声音，而且还被用于消声或隔音。我国曾经出土过战国时期的空心砖，用这种砖砌成的建筑物就可以隔音。至于战国时人们是否已经有意识地这么做，现在还不能肯定，但是明末方以智《物理小识》卷一则明明白白地记载了这项技术。
私铸者匿于湖中，人犹闻其锯锉之声，乃以瓮为甃，累而墙之，其口向内，则外过者不闻其声。何也？声为瓮所收也。
这是说，私自铸钱的人，怕被人发觉，藏匿于地洞（湖）之中，但锯锉之声仍然会传出来，于是以瓮为墙，瓮口向室内，从室外路过者就听不到室内的动静了。方以智认为这是由于声音被瓮吸收了的缘故。《物理小识》的记载是切实可行的。由于叠砌的瓮墙具有多孔结构，其孔腔可以吸收声能，因此这种结构可以达到消声目的。方以智的学生揭暄在为此条作的注中，专门将此与枕地听声相提并论，表明他们也许窥到了这二者之间的某种联系。
在中国古代，光学研究受到了持久的重视。在这些研究中，有对自然界光现象进行观察解释的，有对光的本性进行分析解说的，有探究各种光学成像的，也有动手制作各种光学设备开展光学实验的。研究的特点是理论探索与实验解析并举。在中国古代物理学诸多分支中，光学是最有特色的一门。
古人光学知识的产生，首先建立在对自然界光现象的观察和解说上。这里我们主要讨论古人对色散现象和海市蜃楼的认识。
所谓色散，是指复色光分解为单色而形成光谱的现象。导致色散的原因，可以是复色光在通过介质时，由于介质对不同频率的光具有不同的折射率，使得各种色光的传播方向有不同程度的偏折，从而在穿过介质后，形成光谱排列。也可以是复色光在通过光学系统时，由于衍射和干涉作用，使得复色光分解。色散现象甚为常见，古人对之多有记述和探讨。一般说来，他们记述下来的，多属于大气光象和晶体色散的范围。
在古人观察到的色散现象中，虹是最常见的。他们很早就记录了虹的存在，不但用虹来预测天气变化，并赋予虹很强的社会意义。例如，他们把社会风气的好坏与虹出现与否相联系，同时，也用虹作为占卜素材来预言战争的胜负，等等。这些，虽然属于迷信的范围，但它促使古人重视对虹的观察研究，从而在客观上促进了有关虹的知识的不断增加。
古人在观察和研究虹的过程中，依据虹的颜色和形状对虹作了分类。蔡邕《月令章句》说：“虹，螮蝀也。阴阳交接之气，着于形色者也。雄曰虹，雌曰蜺。”唐代孔颖达在疏解《礼记·月令》篇时，对这种分类有具体说明：“雄谓明盛者，雌谓暗微者。”可见，古人把虹分作2类，一类色彩鲜艳明亮，叫虹；另一类色彩较为暗淡，叫蜺。这种分类，在某种程度上与现代所说的主虹副虹相当。所谓主虹，是指阳光射入水滴后，经过一次反射和两次折射所形成的光谱排列，它的色彩鲜艳，色带排列外红内紫，这叫做虹。所谓副虹，也叫做霓，是由阳光射入水滴经两次折射和两次反射所致，其色带排列方式与主虹相反。因为多了一次反射，所以光带色彩不如主虹鲜明。主虹副虹可以分别出现，也可以同时出现。《月令章句》说：“螮蝀在于东，蜺常在于旁”，就是指的二者并出的情况。由此可见，古人的这种分类方式，是有其实实在在的观测内容的。
另外，有一种在雾上出现的虹，因为雾滴很小，所以虹色很淡，一般呈淡白色。古人把这也归类于蜺的范围。《说文解字》说：“霓，屈虹，青赤或白色，阴气也。”这里的定义，就包括了雾虹在内。
古人在观察中发现，虹的出现，需要一定的条件，而且必然是在与太阳相对的方位上。《礼记·月令》篇提到：“季春之月，虹始见；孟冬之月，虹藏不见。”这大致指明了虹出现的季节。《月令章句》的描写则更进了一步：虹蜺“常依阴云而昼见于日冲，无云不见，大阴亦不见。”这一描写是正确的。
在对虹生成原因的认识上，古人有多种说法。这些说法一开始都充满了臆测和想象，距虹的真实生成原因相去甚远。但经过长期探讨，到了唐代，人们对虹生成原因的认识有了巨大飞跃。唐初孔颖达为《礼记·月令》作疏时指出：“云薄漏日，日照雨滴则虹生。”这一条描写十分正确：日光从云缝里透出，照射在雨滴上，就生成彩虹。这里特别提出雨滴来，而不是一般的雨或水汽，也表现了其认识的深化。到了8世纪中叶，张志和在其《玄真子·涛之灵》中，除了指出“雨色映日而为虹”以外，还特别用模拟实验的方法来验证：
背日喷乎水，成虹霓之状，而不可直者，齐乎影也。
这里用实验方法，人为模拟了虹霓现象，直接揭示了虹霓的生成原因。在古人没有光的反射、折射及色散理论知识情况下，这是揭示虹生成原因的最佳方法。
《玄真子》提出的“而不可直者，齐乎影也”，具有深刻的科学内容。这是对虹呈现圆弧形原因的解说。“齐乎影也”，是指虹的色带每一点距观察者影子的方向都相等，要满足这一点，它只能呈圆弧形。这一说法是有道理的。在太阳光照射到雨滴上生成彩虹时，虹所在的平面与入射光垂直。换言之，太阳光的方向与虹圆弧的轴线平行。而人影子的方向也就是太阳光的投射方向，由此，《玄真子》的说法是成立的。
在西方近代科学传入中国之前，人们对虹的认识，以张志和最具代表性。之后，人们无非是进一步去重复这个实验，观察得更为细致而已。
造成色散的原因很多，例如日光照射晶体也能导致色散。这一现象，远在晋朝时就已经为人们所发现。例如葛洪《抱朴子·内篇》卷十一就记载了五种云母，说它们在太阳光线照射下可以看到各种颜色。到了宋代，有关发现和记载就更多，例如北宋杨亿的《杨文公说苑》里，记载峨嵋山的菩萨石，说：“色莹白如玉，如上饶水晶之类，日射之，有五色。”这里所说的，实际就是天然晶体色散。但杨亿认为这种现象是由于峨嵋山有佛所致，则是错误的。南宋程大昌《演繁露》纠正了这一错误。程大昌认真观察了单个水滴的色散现象，体会到菩萨石的五色光形成原因与之是类似的，他说：
凡雨初霁，或露之未晞，其余点缀于草木枝叶之末，欲坠不坠，则皆聚为圆点，光莹可喜。日光入之，五色俱足，闪烁不定，是乃日之光品着色于水，而非雨露有此五色也。……此之五色，无日不能自见，则非因峨嵋有佛所致也。
日之光品着色于水，是说五色光彩源于日光，这是在向揭示色散本质靠近。由此将其与晶体色散相联系，认为二者本质上一致，这也有其合理成分。
对于晶体色散现象，古人记述很多，但限于古代科学发展水平的限制，在对其本质的解说上，长期以来并未逾越《演繁露》的水平。
明代晚期，我国对于色散的研究，开始受到西学影响。传教士利玛窦来华，他所携带的物件中就有三棱镜，并用其作过色散表演。这比起我国古人用“背日喷水”模拟虹霓的实验，当然要先进些。因为它可以稳定实验条件，控制实验过程，这有利于人们去探讨色散本质。即使如此，人们依然未能正确说明色散现象。例如传教士对色散现象的解释，就是从光所通过介质的厚薄立论的，这当然是错误的。
在前人探索的基础上，明末科学家方以智对古代色散知识作了总结性记载，他说：
凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色。如峨嵋放光石，六面也；水晶压纸，三面也；烧料三面水晶，亦五色。峡日射飞泉成五色，人于回墙间向日喷水，亦成五色。故知虹霓之彩、星月之晕、五色之云，皆同此理。
他全面罗列了各种色散现象，包括天然晶体、人造透明体及虹霓、日月晕等，认为它们本质上相同。这种说法是有道理的，因为上述现象，今天看来都是白光的色散。
进入清代以后，人们对色散现象依然进行着探讨，有关色散的知识继续在积累，但对色散的解说仍然不大明白。一直到了19世纪中叶，张福僖翻译《光论》，以光的折射、反射原理去说明色散，我国人民才正确掌握了有关色散的一些基本知识。
相对于色散研究而言，古人对海市蜃楼现象的观测和解释，更是丰富多彩。
海市蜃楼，简称蜃景，是一种大气光学现象。当光线经过不同密度的空气层，发生显著折射或全反射时，把远处景物映现在空中、海面或地面，从而形成各种光怪陆离的奇异景象。对于海市蜃楼成因，现代科学已有完备解释，但是在古代，人们对之有什么样的认识呢？
海市蜃楼以其奇异的景观，引人注目，因而很早就被人们所发现，并记录了下来。《史记·天官书》说：“海旁蜃气象楼台，广野气成宫阙。”《汉书·天文志》也有类似说法。后世对海市蜃楼进行观察和记载的人员更多，有关古籍比比皆是。从而为我们得以窥视大自然昔日的风貌，留下了可信的记录。
古人不但记载了他们看到的海市蜃楼，还试图对海市蜃楼的形成原因加以解释。综观古人有关论述，他们的认识主要可分为5类。
一类是蛟蜃吐气说。蛟指传说中的蛟龙，蜃指海中一种蚌蛤。这种说法在汉晋书中常可见到，是古代的传统观念，信奉者很多。例如《博物志》即曾提到，“海中有蜃，能吐气成楼台。”后世文人引述这一说法者甚多。古人缺乏相应的科学知识，提出这种解释是可以理解的，而且此说隐喻海市蜃楼与水有关，并非没有一点合理成分。但无论如何，它毕竟是一种虚构的学说，经不起时间的检验。人们经过长期观察与研究，逐渐对这种说法产生了怀疑。宋朝苏轼有《登州海市》诗，内容为：
东方云海空复空，群山出没空明中。荡摇浮世生万象，岂有贝阙藏珠宫？心知所见皆幻影，敢以耳目烦神工。
这里描述了海市蜃楼景观，指出它是幻景，“岂有贝阙藏珠宫”一句特别说到蜃气不能成宫殿。沈括《梦溪笔谈》也详细记述了登州海市蜃楼情景，最后指出：“或曰蛟蜃之气所为，疑不然也。”正是在对海市蜃楼不断观察和研究过程中，蛟蜃吐气说逐渐被人们放弃了。
另一类是沉物再现说。此说依据桑田变海理论，认为由于岁月变迁，某些城池、物体沉沦于地下或海中，没有散开，一旦遇到合适条件，它们还会在原地显现出旧时风貌来。明代郎瑛《七修类稿》卷四十一云：
登州海市，世以为怪，不知有可格之理。第人碍于闻见之不广，故于理有难穷。观其所见之地有常，而所见之物亦有常，又独见于春夏之时，是可知也。古云桑田变海，安知海市之地，原非城郭山林之所？春夏之时，地气发生，则于水下积久之物而不散者，熏蒸以呈其象也。故秋冬寂然，无烟无雾之时，又不然矣。观今所图海市之形，不过城郭山林而已，岂有怪异也哉！
郎瑛是从桑田变海的学说和海市蜃楼多发生于春夏之时的观测经验出发提出这一主张的。他认为“春夏之时，地气发生”，把沉积于水下城池物体的像携带了出来。清钱泳《履园丛话》卷三谈到高邮湖市，也有类似看法：“按高邮湖本宋承州城陷而为湖者，即如泗州旧城亦为洪泽湖矣，近湖人亦见有城郭楼台人马往来之状。因悟蓬莱之海市，又安知非上古之楼台城郭乎？则所现者，盖其精气云。”这些解释，从今天科学的观点来看，当然是不能成立的，但它毕竟是古人为探究海市蜃楼成因所做的一种猜测，有它自己的推理依据，不可简单视其为荒唐。
再一类是风气凝结说。此说认为海市蜃楼是自然的风和海上的气凝结而成。明徐应秋《玉芝堂谈荟》卷二十三说：“海市，海气所结，非蜃气。”叶盛《水东日记》卷三十一说：“海市惟春三月微微吹东南风时为盛。……其色类水，惟青绿色，大率风水气旋而成。”陈霆在《两山墨谈》卷十八中说：“城廓人马之状，疑塘水浩漫时，为阳焰与地气蒸郁，偶尔变幻。”阳焰，指在日光中浮动的水气和尘埃。这些说法把海市蜃楼的形成与气的作用联系，摆脱了传统神化的圈囿，向科学的边缘迈进了一步。古人没有空气密度的概念，也不知道光线通过不同密度的空气会发生折射，因而不可能提出科学的海市蜃楼成因理论。他们能提出风气凝结说，已经不容易了。
还有一类是光气映射说。此说主张海市蜃楼是大气与日光映射所致。明王士性在《广志绎》中描述了他对海市蜃楼的了解：“近看则无，止是霞光；远看乃有，真成市肆。”他已经将海市蜃楼的形成与光的作用相联系了起来。而陆容在《菽园杂记》卷九中则进一步明确提出了这一学说：“登莱海市，谓之神物幻化，岂亦山川灵淑之气致然邪？观此，则所谓楼台、所谓海市，大抵皆山川之气，掩映日光而成，固非蜃气，亦非神物。”这种解释，把气与光联系了起来，比起风气凝结说来，又前进了一步。
最后一类是水气映照说。明末方以智在其《物理小识》卷二“海市山市”条讨论过蜃景，说：“泰山之市，因雾而成，或月一见。……海市或以为蜃气，非也。”张瑶星曰：“登州镇城署后太平楼，其下即海也。楼前对数岛，海市之起，必由于此。每春秋之际，天色微阴则见，顷刻变幻。鹿征亲见之。岛下先涌白气，状如奔潮，河亭水榭，应目而具。”揭暄在方以智、张瑶星这些描述基础上，提出了水气映照说。他注解《物理小识》此条说：
气映而物见。雾气白涌，即水气上升也。水能照物，故其清明上升者亦能照物。气变幻，则所照之形亦变幻。
揭暄提出这一见解，与他的形象信息弥散分布说（参见本书相关篇目）分不开。他认为，“地上人物，空中无时不有”，其形象信息遍布于空中，“空中一大镜，水沤窗隙，则转映之小镜也。”即水面窗孔等，可以将散布于空气中的地面物体的形象映照出来，水气与水性能一样，因此也能照出物来。被水气照出的物，就是海市蜃楼。揭暄、游艺在《天经或问后集》中，对水气映照说做了更清楚的说明：
水在涯埃，倒照人物如镜；水气上升，悬照人物亦如镜。或以为山市海市蜃气，而不知为湿气遥映也”
揭暄等提出的水气映照说，距近代科学所认识到的海市蜃楼成因理论，相去还远。但与古代其他学说相比，则最为科学。揭暄等解释的是上现蜃景。我们知道，在海洋上，由于海水蒸发以及冷水流经过等因素影响，会使得海面上大气形成上暖下冷的逆温现象，这加剧了空气层的下密上稀，这时上面密度小的空气层的确就像一面镜子一样，将远处的景物反射出来，形成海市蜃楼。所以，揭暄等人的理论在某种程度上来说是比较接近于近代科学的认识的。
中国古代对海市蜃楼成因的解说，除此五类之外，尚有其他一些说法，但都没有达到近代科学的认识水平。19世纪中晚期，系统的西方光学知识逐渐传入我国，其中对海市蜃楼的解说建立在光的折射知识基础之上，与近代科学的认识相一致，为我国科学界所接受。至此，我国传统的海市蜃楼成因学说，也就最终只剩下其永久的历史价值了。
古人对自然界光现象的观察与解说，最吸引人的一幕是关于日体远近大小的辩论。这一辩论的起源是众所周知的“小儿辩日”故事，据《列子·汤问》记载，故事梗概是这样的：
孔子东游，见两小儿辩斗。问其故，一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”一儿以日初出远，而日中时近也。一儿曰：“日初出大如车盖，及日中，则如盘盂，此不为远者小近者大乎？”一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中，如探汤，此不为近者热而远者凉乎？”孔子不能决也。两小儿笑曰：“孰为汝多知乎！”
一般认为，《列子》成书于晋朝，但其所取之材多系周秦旧事，就本条而言，桓谭《新论》亦述及此事，因而我们可以相信，先秦时期人们已经提出了这一问题。
孔子是人文学者，对这一问题不发表意见，是可以理解的。但他的缄默并没有影响到天文学家的热情，从西汉开始，就有人发表意见了。《隋书·天文志》系统记载了隋之前人们对此问题的讨论，这一讨论首先由汉代的关子阳开始的：
桓谭《新论》云：汉长水校尉平陵关子阳，以为日之去人，上方远而四傍近。何以知之？星宿昏时出东方，其间甚疏，相离丈余。及夜半在上方，视之甚数，相离一二尺。以准度望之，逾益明白，故知天上之远于傍也。日为天阳，火为地阳，地阳上升，天阳下降。今置火于地，从旁与上诊其热，远近殊不同焉。日中正在上，覆盖人，人当天阳之冲，故热于始出时。又新从太阴中来，故复凉于其西在桑榆间也。
两小儿辩日，各依据不同物理原理，一方持视物近则大、远则小之说，另一方则执距火近者热而远者凉之论。关子阳赞成前者，而对后者作了修改。他说太阳在中午确实比早上离人远，但“日为天阳”，不比地上凡火，凡火上升，“天阳下降”，“日中正在上，覆盖人，人当天阳之冲，故热于始出时。”文中提到的“以准度望之”，或者是关子阳的想象，或者是他测量不确，因为以仪器实测的结果，与关子阳之论是相矛盾的。
东汉王充则支持第二个小儿的观点，主张“日中近而日出入远”。在天文学上，王充赞成平天说，认为天与地是两个平行平面，太阳依附在天平面上运动。中午时，日正在人之上，就像直角三角形的直角边；而早晨傍晚之际，日斜在两侧，相当于三角形的斜边，故此“日中近而日出入远”。至于视像大小的变化，是由于“日中光明，故小；其出入时光暗，故大。犹昼日察火光小，夜察之火光大也。”
关子阳、王充都认为太阳早晨中午与人的距离有变化，这与浑天说者不同。浑天说主张“日月星辰，不问春秋冬夏，昼夜晨昏，上下去地中皆同，无远近。”这样，浑天家们对这个问题的解说，就只能立足于太阳与人距离不变这一前提之上。这与现代科学的认识，倒是有一致之处。
浑天家张衡对此提出了自己的见解，《隋书·天文志》引其《灵宪》云：
日之薄地，暗其明也。由暗视明，明无所屈，是以望之若大。方其中，天地同明，明还自夺，故望之若小。火当夜而扬光，在昼则不明也。月之于夜，与日同而差微。
张衡与王充的立论依据一样，都是着眼于亮度及反差的变化。他们注意到的这个因素，的确是造成日月视像变化的一个重要原因。从物理学上我们知道，同样大小的物体，亮度大的看上去体积也要大一些，这种光学上的错觉，叫做光渗作用。张衡与王充所注意到的，就是光渗作用对这一问题的影响。他们二人结论的不同，则是由于他们所信奉的宇宙结构学说不同所致。
晋朝束晳进一步探究了这一问题，他认为太阳在旁边与在人头顶上方大小没有变化，之所以看上去大小不同，是由于各种原因造成的。他说：
……旁方与上方等。旁视则天体存于侧，故日出时视日大也。日无小大，而所存者有伸厌，厌而形小，伸而体大，盖其理也。又日始出时色白者，虽大不甚；始出时色赤者，其大则甚；此终以人目之惑，无远近也。且夫置器广庭，则函牛之鼎如釜；堂崇十仞，则八尺之人犹短；物有陵之，非形异也。夫物有惑心，形有乱目，诚非断疑定理之主。
束晳的论述，涉及3种因素的作用。“旁视则天体存于侧，故日出时视日大。”说的是旁视与仰视的差别，是生理原因；“日始出时色白者，虽大不甚；始出时色赤者，其大则甚”，这是亮度与反差的不同，是光渗作用；“物有陵之，非形异也”，指的是视觉背景上景物的陪衬作用，属于比衬原因。现代有关方面的研究表明，造成晨午视像大小变化的原因，基本上也就是这3条。由此可见，束晳的论述是相当完备的，他的结论“物有惑心，形有乱目，诚非断疑定理之主”，是完全正确的。
束晳之后，梁代祖暅对这一问题也做了探讨，他说：
视日在旁而大，居上而小者，仰瞩为难，平观为易也。由视有夷险，非远近之效也。今悬珠于百仞之上，或置之于百仞之前，从而观之，则大小殊矣。（同上）
祖暅的阐发，并未逾越束晳的论述，但他把傍视与仰视的差别讲清楚了。至于早晨中午太阳凉热的不同，祖暅的解释与关子阳相类似。这种解释实际上是对太阳入射角变化的涉及，因而也潜含了合理成分。祖暅在解释中还提到了热量的累积效应，这也是正确的。
后秦姜岌的论述，把古人对这一问题的研究，提到了一个新的高度。他说：
余以为子阳言天阳下降，日下热，束晳言天体存于目则日大，颇近之矣。浑天之体，圆周之径，详之于天度，验之于晷影，而纷然之说，由人目也。参伐初出，在旁则其间疏，在上则间数。以浑检之，度则均也。旁之与上，理无有殊也。夫日者纯阳之精也，光明外曜，以眩人目，故人视日如小。及其初出，地有游气，以厌日光，不眩人目，即日赤而大也。无游气则色白，大不甚矣。地气不及天，故一日之中，晨夕日色赤，而中时日色白。地气上升，蒙蒙四合，与天连者，虽中时亦赤矣。（同上）
姜岌的贡献主要体现在2个方面，其一，他把理论探讨与仪器观测结合了起来，“以浑检之，度则均也”，通过仪器观测证实了天体早晨与中午其角距离没有变化这一事实，纠正了关子阳在这个问题上的误导。其二，他用“地有游气以厌日光”的原理，解释了“晨夕日色赤，中时日色白”的原因。这里所涉及的是大气吸收与消光现象。从物理学上我们知道，大气中所含有的气体分子、灰尘、小水滴等对太阳光有一定的散射作用。清晨和傍晚，太阳光是斜射在地面上的，它所通过的大气层比起中午时候要厚得多，这时散射作用也就强得多，能够到达地面的主要是那些穿透能力强的长波长光，即红光和橙光。这就是姜岌所说的“晨夕日色赤，中时日色白”。姜岌用“地有游气，以厌日光”之说解释这种现象，虽然未能具体揭示其形成机理，但他的做法，无疑为走向正确认识这一现象的道路架起了一座桥梁。
姜岌之后，清初学者方中通对日体晨午远近大小之辩的解释值得一提，对姜岌所说的地气，他有了新的解释：
日初出大而不热者，地气横映，故大；气厚隔远，故不热也。日午热而不大者，地上气浅，故不大；气浅易透，故热也。又日初出，光切地圆之界，力轻，故不热；日午，光直射地平，力重，故热。日初出，人目力横视远，故大；日午，人目力上视短，故小。
方中通的解释，是西方地球观念传入中国后中国人对这一传统问题所做的新的解答。该解答是建立在地球观念基础上的，所以有“日初出，……气厚隔远，……光切地圆之界”等的说法。方中通把地球观念引入到对日体远近大小这个传统问题的讨论中，以之来说明不同方向空气层的厚薄也不同及其对日光穿透所起的作用，从而把中国人对该问题的讨论推进到了一个新的高度。
中国古人对光的本性的认识，经历了一个演变过程。一开始，古人是用传统的元气学说来解释光是什么这一问题的。
根据元气学说，气是宇宙万物本原，光当然亦不例外。所以，在本质上，光应该是一种气。古人也确实是这么认识的，例如，春秋时医和提到：“天有六气……六气曰阴阳风雨晦明也。”晦、明同为光的表现形式，差别在于光强的不同，医和将晦、明并列，显示出他没有觉察到二者的统一性。但无论如何，“明”可以视为光的表现形式，所以他无疑是主张光是气的。
《淮南子·原道训》从万物化生角度提出了同样认识：
夫无形者，物之大祖也；无音者，声之大宗也。其子为光，其孙为水，皆出于无形乎？
无形，指的就是元气。这一段告诉我们：光是元气的直接产物，它本身也应该是气。后人有许多说法，直接把光说成气。例如，《朱子语类辑略》卷一记述蔡元定的话说：
日在地中，月行天上，所以光者，以日气从地四旁周围空处迸出，故月受其光。
此处蔡元定就直接把日光说成了日气。明代医学家张介宾说得更为清楚：
盖明者，光也，火之气也；位者，形也，火之质也。如一寸之灯，光被满室，此气之为然也；盈炉之炭，有热无焰，此质之为然也。
他不仅明确表达了光为气的思想，而且还论述了光源与光的差别。
在光是一种气的思想基础上，古人进一步讨论了与光的传播相关的一些问题。
光既然为气，那么光源向外发光的过程就是光之气离开光源向外传播的过程，古人把这叫做外景。景就是光的意思。与外景相应有内景，表示物体被照而反光。外景、内景的说法在先秦文献中已可见到，《曾子·天圆》有“火日外景而金水内景”，《荀子·解蔽》有“浊明外景，清明内景”，都属于此类用法。到了汉代，《淮南子·天文训》用气的学说对“外景”、“内景”做了解释：
天道曰圆，地道曰方。方者主幽，圆者主明。明者吐气者也，是故火曰外景；幽者含气者也，是故水曰内景。
“明者”指光源，例如火，它向外发光，叫吐气，是为外景；“幽者”指反射物，例如水，它能接受外来光线，反射成像，看上去如同物在其内，故此叫含气，是为内景。亦即外景、内景的区别在于吐气、含气的不同。
“外景”、“内景”也有不同的叫法。张衡《灵宪》说：“夫日譬犹火，月譬犹水，火则外光，水则含景。”这里就用“外光”代替了“外景”，用“含景”代替了“内景”。葛洪说：“羲和外景而热，望舒内鉴而寒。”羲和指日，望舒指月，内鉴指内景。所有这些叫法，本质上是一致的，都不出《淮南子》论述的范围。而这些论述的最终依据，都是“光是一种气”的共同认识。
与光是气的观点相应的是光行极限说，认为光的传播有一定范围。这类说法在古代甚为常见，例如《周髀算经》卷上说：“日照四旁各十六万七千里，人望所见远近宜如日光所照。”《淮南子·地形训》：“宵明烛光在河洲，所照方千里。”唐《开元占经》引石申说：“日光旁照十六万二千里，径三十二万四千里。”《尚书纬·考灵曜》说：“日光照三十万六千里。”这些数据，各不相同，但有一个共同特点，都主张光行有限。
光行有限观念的提出，是古人光为气认识的自然推论。光既然为气，那么由光源发出的光就只能在有限的范围内传播，不能设想有限量的气会传播到无穷远的空间中去。另外，光传播过程中近则亮、远则暗的现象，也易于使人想到它只能在有限的范围内传播。据此，古人提出光行有限说，也有其一定的内在依据，并非全出于臆想。即使以今天的知识来看，光行有限的思想，也不是全无道理。设想一个点光源，它以球面波形式向外辐射光能，在距光源一定距离之处单位面积接受到的光能与距离的平方成反比，这样，当距离增加到一定程度，单位面积上接受的光能就会低于接收器的感知阈值，这个距离就可以视为光线传播的极限距离。从这个意义上来说，光的传播范围是有限的。
另一个相关的问题是光速：光的传播是即时的，还是需要一定时间？中国古人没有超距作用观念，他们先验地认为光的传播需要一定时间，即光速是有限的。古人没有就这一问题展开过专门意义的讨论，但我们可以从一些相关的材料中，间接窥知他们的态度。
《墨经·经下》记述小孔成像，《经说》在解释该实验时提到：“光之人，煦若射。”一个“射”字，就隐含了光有速度的观念。晋蔡谟《与弟书》，也明确涉及光速，原文为：
军中耳目，当用鼓烽。烽可遥见，鼓可遥闻，形声相传，须臾百里，非人所及，想得先知耳。
形声相传，是说光与声一样，都有一个传播过程，即是有速度的。须臾百里，则言速度甚快。
唐甘子布作《光赋》，畅论光的性质，其中提到：
从盈空而不积，虽骏奔其如静。
意为：光的传播纵然充盈太空，但并无质的堆积滞塞，光速极快但人们却不能直接感受。这两句话很形象地说明了光的特点，表述了古人认为光有速度的见解。
光速观念的产生，从逻辑上讲，与古人对光本性的认识有关：光既然为气，受光处被光照亮的过程，就是光之气由光源到达受光处的过程，它当然需要一个传播过程。这样，光有速度观念的产生，是十分自然的。
本篇所要讨论的最后一个问题，是古人对光传播方式的认识：光是走直线还是走曲线？光行直线有直接观察依据，生活中也易于积累起这样的经验，古人不难掌握这方面的知识。晋朝葛洪说：“日月不能摛光于曲穴。”又说：“震雷不能细其音以协金石之和，日月不能私其耀以就曲照之惠。”北宋张载说：“火日外光，能直而施。”这些，都是谈的光走直线。
另一方面，古人也有光行曲线的思想，这主要表现在与天文学有关的论述上。例如，晋朝杜预解释日环食，提出：
日月同会，月奄日，故日蚀。……日光轮存而中食者，相奄密，故日光溢出。
依据古人的认识，日月等大，若光依直线传播，则不可能发生日环食。杜预解释说：之所以会发生日环食，是由于月掩日时，有时因相距近，日光由四周溢入月之背影中一些的缘故。他的话，显然表现了一种光可弯曲行进的认识。
后秦姜岌解释月食，也运用了光行曲线思想：
日之曜也，不以幽而不至，不以行而不及，赫烈照于四极之中，而光曜焕乎宇宙之内。循天而曜星月，犹火之循炎而升，及其光曜，惟冲不照，名曰暗虚。举日及天体，犹满面之贲鼓矣。
这是说，日光在行进过程中，受到天球的局限，于是就沿着天球曲面向日的对冲传播，唯有正对冲之处不能照及，形成暗虚，月亮从那里经过，就产生月食。光沿着天球曲面传播，当然是走的曲线。
南宋朱熹对月亮中阴影成因的解释，也潜含了光行曲线思想。他认为月中黑影是地在月亮上的投影，指出：
日以其光加月之魄，中间地是一块实底物事，故光照不透，而有些黑晕也。
根据古人认识，日月的尺度要远小于地，这样，大地在日光照耀下所成之阴影，不可能沿直线按几何关系投至月面上。要保持朱熹说法的成立，就必须认为日光是绕地沿曲线进行的。
综上所述，中国古人确实存在着光在远程传播，受物阻挡时，可沿曲线行进的认识。这与古人对光本性的猜测一致：光既然为气，当然不能排除它遇物阻挡时可以绕物曲行。但需要指出的是，中国古代的光行曲线之说，与现代波动光学认为光循波动规律传播的说法有本质不同，切不可将二者混为一谈。
在古人对光的本质的猜测方面，曾经出现过一支奇葩，那就是明末学者方以智在其《物理小识》中提出的光的波动学说。
方以智在对光本性的认识上，修改了前人的学说。上一节提到，中国古代讨论光的本性，通常认为光本身是一种特殊的气，发光过程就是光之气由光源到达接受者的过程。方以智则认为，光是气的表现，是气的一种特殊运动形式，他说：“光理贯明暗，犹阳之统阴阳也，火无体，而因物见光以为体。”他的学生揭暄注解说：“气本有光，借日火而发，以气为体，非以日火为体也。故日火所不及处，虚窗空中皆有之，则余映也。”即是说，光源的作用在于激发气中本来已经蕴含的光，光以气为体，它不是直接由光源发出的，这与前人主张光为气的学说显然不一样。
那么，气究竟如何表现为光呢？在其《物理小识》卷一《光论》中，方以智描述道：
气凝为形，发为光声，犹有未凝形之空气与之摩荡嘘吸，故形之用，止于其分，而光声之用，常溢于其余。气无空隙，互相转应也。
形，指有一定形体质地的物质；分，指“形”所占据的空间。方氏意为光声的发出是空气被激发的结果。有形之物，固定占有相当于其体积的空间，无形的光声，则由其激发之处向四外传播。按方氏看法，“空皆气所实也”，即气体弥漫整个空间，毫无间隙，这样，倘一处受激，必致处处牵动，“摩荡嘘吸”、“互相转应”，空气一层一层地将扰动由内向外传播开去。这有如水上投石，石激水荡，纹漪既生，连环不断。方以智的描述，显然是一幅清晰的波动图像，我们姑且名之为气光波动说。
方以智的气光波动说十分原始，因为它不讲周期，也缺乏明确的对振动的描述，但它确确实实是波动说。有一种较普遍但不正确的观念，认为非周期性振动的传播便不是波。其实，依据物理学的定义，波是在介质中传播的一种扰动，进一步，状态变化的传播即为波。周期性并非形成波的必要条件，脉冲波也是波。现代数理方程教科书中在波动方程部分给出的普遍解是：f1（x+vt）+f2（x-vt），它并不规定周期性。不谈周期性才是抓住了波的共性，说“没有周期性便不是波”，倒是错误的。大学物理中讲的简谐振动传播，只是波的理想形式，并非其一般形式。西方光波动说的早期提倡者如笛卡儿（Descartes, ）、惠更斯（Huygens, ）等，亦未曾提到光的周期性问题，不能唯独要求方以智做到这一点。
中国古人对声的波动性认识较为深入，如王充、宋应星皆然。今人对此没有什么异议。在《物理小识》中，方以智多处将光、声并论，认为二者以同样方式发生、传播，这是其光波动思想的自然表露。既然认为古人对声的认识是一种朴素的波动理论，那么对于具有同样形态的方以智的光学理论，为什么就不愿意承认它是一种波动学说呢？当然，方以智的光波动说与今所言之波动光学不可同日而语，在方氏理论中，光是气之间相互作用的传播，是纵波；而近代光学则认为光是电磁作用在空间的传播，是横波。方以智对光的描述，更类似于近人对声波动性的认识，这从一个侧面证实了它确为波动学说。
从光的波动性出发，方以智等人还对光的传播方式作了独具特色的探讨。根据气光波动说，光依靠“摩荡嘘吸”、“互相转应”的方式向外传播，这样，一旦遇到障碍，光自然会向阴影区弥漫。据此，方以智提出了一个极其重要的概念——光肥影瘦，其意为光总向几何光学的阴影范围内侵入，使有光区扩大、阴影区缩小。即光线可以循曲线传播。这是方氏气光波动说的自然推论。
方以智是在评论西学测算日径的方法时提出这一概念的。不知何故，他误解了利玛窦讲的太阳直径数，说人家讲的是：太阳到地球距离约为太阳直径的3倍多，这样违反常识的说法当然是方以智所不能接受的。他经过分析，认为是传教士未曾考虑光肥影瘦因素，因而测算结果大于太阳实际直径。他说：
皆因西学不一家，各以术取捷算，于理尚膜，讵可据乎？细考则以圭角长直线夹地于中，而取日影之尽处，故日大如此耳。不知日光常肥，地影自瘦，不可以圭角直线取也。何也？物为形碍，其影易尽，声与光常溢于物之数，声不可见矣，光可见、测，而测不准也。
方以智提出的“日光常肥，地影自瘦”，是说太阳光在受到地球遮蔽时，要向其几何投影处弯进去一些，从而使得地的投影变小了，如图4所示。他特别提到，光的这一性质与声音相同，声音遇到障碍物阻挡时，会绕到障碍物后面，光亦如此。声音不能看到，光却是可以看见，并能加以测量的，但这种基于光线直进性质对发光体方向进行的测量是“测不准”的。
图4　“光肥影瘦”图解
为验证“光肥影瘦”理论，方以智进一步做了小孔成像实验。紧接着上述引文，他说：
尝以纸徵之，刺一小孔，使日穿照一石，适如其分也。手渐移而高，光渐大于石矣；刺四、五穴，就地照之，四五各为光影也；手渐移而高，光合为一，而四五穴之影，不可复得矣。光常肥而影瘦也。
方以智认为，在实验中，他在纸上刺四五个小孔，让太阳光穿过小孔，就地照之，这时地上有四五个亮斑；手持纸张“渐移而高”四五个亮斑就会融合到一起，这就证明了“光肥影瘦”之说是正确的。实际上，造成“四五穴之影，不可复得”的原因很多，很难说该现象是否为“光肥影瘦”所致。但无论如何，方以智毕竟是在提出了这一假说之后，要用实验来检验自己的理论，这种做法堪称是中国物理学史上的一个亮点。
揭暄为《物理小识》光肥影瘦说所做的注解有助于我们正确理解这一学说本义。他说：
日之为光者，火也。火气恒散，天圆体，散之不得，则必循天而转，以合于对极。中亦抱地而转，以合于前冲，若水流包砥而后合也。余尝于日没时，观其影射气中，自西徂东，抱地若环桥，始知其影非直行，能随物曲附，不可以直线取也。……光肥影瘦亦然，光小于物，光亦肥，仍不可以直线取也。
这段话的中心意思，是说光在传播过程中，若无物阻碍，则沿直线进行；若遇物阻挡，则“随物曲附，不可以直线取也”。光沿曲线传播，这是造成光肥影瘦的主要原因。
方以智等人还运用光的波动学说对一些常见光学现象如海市蜃楼等做了解释。今天看来，这些解释大都牵强，但它反映了方氏学派为坚持其理论体系一贯性所作的努力，也是值得一提的。
方以智提出的气光波动学说，除了其光肥影瘦之论对后世历法推算有所影响之外，就整体而言是被湮没了的。这既与外部因素有关，也与其本身先天不足分不开。这一理论基本上未脱离思辨形态，加之数学手段缺乏，对常见光学现象的解释也很难令人信服。与西方传进来的几何光学相比较，它的不足显而易见，被人们所遗忘是理所当然的。
成像问题是光学研究的重要对象，中国古人也不例外。古人对成像问题的研究，大致可分为3类：反射镜成像、透射镜成像和小孔成像。这里先说反射镜成像。
反射镜成像包括平面镜成像、凸面镜成像和凹面镜成像3种。
平面镜成像的起源最早。最初应该是“以水鉴面”，受这种现象的启发，人们意识到具有光滑表面的物体都能映出像来，进而导致铜镜的产生。早在商代，就出现了一定水平的铜镜。
对于反射成像机理，《淮南子·原道训》说：“夫镜水之与形接也，不设智故，而方圆曲直弗能逃也。”“与形接”，说明镜子成像是对外部的反映；“不设智故”，说明这种反映完全是客观的，因而是可信的。古人还对反射成像规律及应用的研究，内容是比较丰富的。对于平面镜成像特征，《墨经》中曾有所涉及。墨家称平面镜为“正鉴”，认为正鉴所成之像是单一的，不像曲面镜那样，存在放大、缩小、正立、倒立等多种情况。平面镜成像，物与像于镜面是对称的。物体移动，像也移动，二者始终对称。物在镜前，像在镜后，像与物是全同的。《墨经》对于平面镜成像特征的记述，文字比较简朴，与平面镜成像的实际情形也一致。
利用平面镜对光的反射作用，可以生成复像。这对古人来说，是不难办到的，只要有两块平面镜在手，便能轻易实现。由此，我们需要了解的是，古人究竟如何记载并解释此事。唐代陆德明《经典释文》在注解《庄子·天下篇》有关内容时有这样一段话：“鉴以鉴影，而鉴亦有影，两鉴相鉴，其影无穷。”这对成复像问题做了相当直观的解释。南唐道士谭峭则更进了一步：“以一镜照形，以余镜照影，镜镜相照，影影相传，不变冠剑之状，不夺黼黻之色。是形也，与影无殊；是影也，与形无异：乃知形以非实，影以非虚，无实无虚，可与道俱。”“黼黻”，指古代礼服上绣的花纹。这段话指出，成于一个镜中的像可以在另一镜子中再成像，像所成的像与原来的物是一样的。即是说，多个平面镜能够成复像的原因，一方面是由于平面镜生成的像与原物全同；另一方面，像又能生像，所以，可以做到“镜镜相照，影影相传”，乃至无穷。
与平面镜成像相比，凸面镜成像另有景致。
凸面镜在我国出现时间非常早。在现存的早期铜镜中，属于商周时期的凸面镜已经发现了不止一枚。凸面镜是发散镜，它所成的像是正立缩小的像。古人对此有清楚的认识，《墨经》说：“鉴团，景一”，就很准确地揭示了这一特征。由于凸面镜（“鉴团”）成缩小正像，它所能照到的景物范围也就比平面镜大，古人利用这一特点，巧妙地选择镜面曲率，使一枚小凸面镜也能照出人的全貌来。北宋沈括对此有清晰的说明：“古人铸鉴，鉴大则平，鉴小则凸