由于从人体射出并穿过小孔投到屏幕上的一切光线都在小孔处交于一点，所以屏幕上的像是倒立的。这是光的直线传播的最早的科学解释，也是世界上对小孔成倒像的第一次实验验证。远在公元前4世纪，墨家就知道用小孔成像的实验来验证光的直线传播特性，实在是一种惊人的科学创举。
光是沿直线传播的，但是在前进的方向上遇到不透明的物体时，就会改变路径被反弹回来，这种现象就叫光的反射，这种不透明的物体叫镜子。光线不能穿透镜子，镜面成像就是光线反射的结果。我们知道，只要对着光滑的平面就可以照见自己的形象，人们最初是利用静止的水面作为光的反射面，当做镜子使用，从水中看到自己的形象，进行整理梳洗，这些都是光的反射作用给人们带来的方便。那么，光的路径的改变是不是就这一种方法呢？不是的，光还有一种改变传播路径的方法，叫折射。
光在某种物质中能被弯曲，可见光能穿透它们，这种物质我们统一叫做透明物质。关于光能穿过透明体的折射现象，中国古代人民早有所知，有史料记载说“削冰令圆，向日取火”
，历代都被人们所怀疑。冰在太阳光下，遇热会融化，怎么可能将光线聚集起来进行点火取暖呢？清代科学家郑光复曾经做过实验进行验证。他用一底部微凹的锅壶，里面装上沸水，将壶放在冰上转动，制成一块表面光滑的凸透镜。把它放在强烈的阳光下，果然能把放在冰透镜后面焦点处的纸煤点燃。这个实验实际上是很难成功的，但是，2000年前的中国古代人们就已成功地做出这样的实验，真可以说是巧夺天工的发明创造。据说17世纪著名英国科学家胡克也曾经做过这个实验，当时的科学家们对他赞叹不已，可是，他们哪里知道，早在一千多年前中国人就成功地做过这样的实验。由于用冰做成的透镜不会长久，所以就没有什么使用价值。这个实验是光的折射现象的很好说明，当光线照射到冰（透明物体）上时，就要改变传播路线，发生折射，折射后的光线要通过焦点，所有的光线经冰折射后都会聚集到焦点上，所以这点的温度迅速升高，以致可以点燃物质。
有了这些基本的光学知识，人们就可以对光进行深入的研究了。伟大的科学家牛顿，就是光学领域中的伟大的研究者，单凭他在光学方面的贡献，就完全可以成为科学史上的伟大人物，他在光学方面的主要贡献是对颜色的研究。在牛顿所处的时代，由于实验科学的发展，推动了人们对光的研究。
有一天，牛顿取来一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色，然后把它放在窗户边，通过一块玻璃三棱镜来观察纸板。他发现，如果把玻璃棱镜的棱角朝上，使纸板由于折射看起来像是被抬高了，那么折射的结果将使蓝色半边比红色半边抬得更高。他把棱镜反倒过来，让折射棱角朝下，使纸板由于折射看起来被放低时，蓝的半边就比红的半边降得更低了。因此，牛顿断定蓝光折射比红光厉害些，也就是说不同的颜色具有不同的折射率。
这个设想是否正确呢？为了证实它，牛顿又做了一个实验。他拿来一张纸，一半涂上蓝色，一半涂上红色，用蜡烛做光源，经透镜在另一张纸上成像。结果却发现，无法使涂色纸片的两边同时呈现清晰的像，蓝色半边的像要在离透镜更近的地方才能看清楚。这说明，被蜡烛照射的红蓝纸片所发出的红蓝光经透镜后聚集在离透镜不同距离的地方。这就是透镜成像的色差。这种现象的发生是因为红蓝光具有不同的折射率所造成的。
1666年，年轻的科学家牛顿亲手制作了两个光学质量很好的三棱镜，并设计了一个“判决性实验”，来判定太阳光谱的形成原因。牛顿将两个棱镜隔开一段距离放置，在它们中间放置一个屏幕，屏幕中间开有一条垂直的狭缝。他再将房间的百叶窗放下，房内顿时漆黑一片，牛顿事先在百叶窗上开有一个小孔，这时外面的阳光透过这个小孔射向第一个棱镜，牛顿预想将会像小孔成像一样，在屏上会看到圆形的太阳的像。然而，结果却相反，在屏上看到的却是被拉长了的太阳的像，并且形成了一条光彩夺目的彩带。彩带的顶部是蓝色，底部为淡
红色。牛顿感到这很有趣，他又将第一个棱镜转动了几次，使彩带的7条光线依次投到狭缝上。这样，7种不同颜色的光又通过狭缝投射到第二个棱镜上。牛顿发现，在第一个棱镜上折射得很厉害的蓝光，也在第二个棱镜上得到最大的折射。原来，太阳的像被拉长是由于光不是均匀的，而是由不同类型的光线组成的，其中的一些比另一些更容易被折射的缘故。而且各种彩色光透过第二个棱镜折射后虽然各自的折射角更大，但却不再展现出彩色带，而只显示各自的颜色。牛顿将白光分解成各种色光的现象称为色散，将白光分解后形成的彩带称为光谱。
牛顿对这个实验结果非常感兴趣，他仔细分析了实验现象，他想，光谱的形成到底是什么原因呢？当时，人们对光谱的解释多种多样，在众多的解释中最权威的是：从太阳表面不同点发出的光进入棱镜时的角度各不相同，这造成了三棱镜对这些光线折射的不同，结果就形成不同的颜色。年轻的科学家牛顿并不迷信权威的说法，他说，如果造成光谱是由于光在入射时的角度不同，导致棱镜对它的折射不同，那么，各种色光从狭缝入射到第二个棱镜时的入
射角也不同，理应由于折射的不同再造成一次色散而形成新的光谱。实验结果却对这种推论“宣判”了死刑。究竟怎样来解释太阳光（白光）通过三棱镜后形成的光谱现象呢？
经过一段时间的思考，牛顿提出了这样的解释：白光是由折射能力各不相同的色光混合而成的，当白光透过棱镜时，由于各种色光的折射能力不同，于是“各奔东西”，造成了这些色光彼此远离而形成一条七色彩带。对于其中的一种色光来讲，由于它已经是单一成分了，即使再通过棱镜也不会造成色散，而“依然保持本色”，只不过在第二次透过棱镜后，折射将更厉害一些罢了。
判决了旧理论的死刑，又怎样来证实新理论的新生呢？为此，牛顿又做了一个“支持性实验”。他在上述实验装置上作了一些变动：撤走了第二个棱镜和屏幕，在屏幕位置上放了一只很大的凸透镜，牛顿让经过第一个棱镜色散后的光谱投射到凸透镜上，结果，所有7种颜色的光经过凸透镜后就会聚成一束白光了！由此，它直观地显示出，白光是由这些色光混合而成的。
“白光是由各种色光混合而成的”，这是一个重大的发现。牛顿的实验与结论使人们对颜色的认识的主观成分大大地减少了。他还成功地解释了虹的成因。牛顿认为，在天空中一边有阳光照射，另一边乌云密布的时候，彩虹就将出现。这是因为彩虹的颜色实际上是被云中或下落的细小水滴所反射的阳光的分解。阳光照射在水滴上，进入水滴发生折射，接着在水滴的另一面发生全反射后，再从前表面折射出来，结果不同色光在离开水滴后就呈扇形散开。因此，地面上的观察者若是背向太阳，就会看到弧状的彩虹。
牛顿环的发现
眼是人的五大感官之一。人类通过视觉观察和认识自然界比用其他感官更直接，更富有色彩。光学仪器的产生，使人类的视野更加扩展，它帮助人们克服视觉器官的局限性，大大丰富了感性认识的内容，在广度和深度上大大地增强了人类的认识能力，使感性认识更加精细。
就在研究颜色理论的过程中，牛顿对改进折射望远镜发生了兴趣。在牛顿所处的时代，最好的折射望远镜可以目测到土星的神秘形状的变化，但是望远镜的色差严重影响着观测的精确性。所谓色差是指星球发出的白光经过望远镜时，由于组成白光的各种色光的折射率不同，结果造成星球的像的模糊，在像的边缘总有一圈颜色。在牛顿之前的许多科学家，都绞尽脑汁想办法去掉这讨厌的色差，但由于缺乏理论根据，最后谁也没有成功。在牛顿提出了白光形成的新理论后，他自己马上把这一理论运用到改进望远镜上。他经过多次实验研究，从光的反射与光的颜色无关出发，于1668年制成了反射式望远镜，这台望远镜是一个大口径的旋转抛物面反射镜，它将天体成的像作为平面反射镜的虚构物，平面反射镜成的实像再经短焦距的目镜放大，供人观察。
反射式望远镜有效地避免了色差，成像清晰，又由于它的物镜口径较大，所以它的分辨本领较高，可以进一步看清天体的形态，用这种望远镜也可观察到了木星的卫星和金星蚀等。
1671年，牛顿又制成了一台更大型的反射望远镜，他把这台花费了很多心血的望远镜献给了英国皇家学会，得到了极高的评价。
颜色理论作为牛顿发表的第一项科学成就，并没有得到一致的赞同。当时公认的杰出光学家惠更斯就曾怀疑过运用这种理论能否解释所有的颜色现象。自然哲学教授帕底误解了它的大部分内容以致看不到它的价值。而自居皇家学会要位的胡克的评论更令人失望，他只是称这种理论为一种“假说”，并指出这种“假说”在解释薄板的颜色这个问题上所存在的缺点。
为了回答胡克提出的问题，牛顿又做了一系列实验，在实验过程中，他又发现了牛顿环现象。
牛顿取来两块玻璃镜，一块是427米望远镜用的平凸透镜，另一块是1524米望远镜用的大型双凸透镜，在双凸透镜上放上平凸透镜，让它的平面朝下，然后慢慢地把它们压紧，接触点的周围就形成一组明暗相间的同心圆环。压力渐渐增大，圆环的中心陆续出现各种颜色，然后再把上面的玻璃慢慢抬起，使之离开下面的玻璃体，于是这些颜色又在圆环中心相继消失。在压紧玻璃体时，在别的颜色中心最后出现的颜色，初次出现时看起来像是一个从周边到中心几乎均匀的色环；再压紧玻璃体时，这色环会逐渐变宽，直到新的颜色在其中心出现，而它就成为包在新色环周围的色环；再进一步压紧玻璃体时，这个环的直径会不断增大，而其周边的宽度会减少，直到另一种新的颜色在最后一个色环的中心现出……如此继续下去，第三、第四、第五种以及随后不断在中心现出的别种颜色，并成为包在最内层颜色外面的一组色环，最后的一种颜色是黑色的圆点。反之，若是抬起上面的玻璃镜，使其离开下面的透镜，色环的直径就会缩小，其周边宽度则增大，直到它的颜色陆续到达中心，后来它们的宽度变得相当大，这样就更容易认出和识别出它们各自的颜色了。在透镜接触点处所形成的透明中心点之后，接着出现的是蓝色、白色、黄色和红色，其中蓝色比较暗淡。紧接着包在这些色环外面的色环的颜色次序是紫色、蓝色、绿色、黄色和红色，只是绿色
的量很少，似乎比其他颜色显得模糊暗淡得多。第三组色环的顺序是紫、蓝、绿、黄和红色。在此以后，是由红色和绿色所组成的第四组色环，以后的各组色环越来越变得模糊不清了，到三轮以后，它们终于成为一片白色了。
牛顿不仅在如此周密的观察基础上作了详尽的定性描述，而且进一步作了仔细的定量计算，得出亮环的半径的平方是由奇数所构成的算术极数，暗环的半径的平方是由偶数所构成的算术级数。利用年顿的这一结论，在知道了凸透镜的半径后，就可以算出暗环和亮环出现地点的空气层厚度。在牛顿的实验装置下，空气层厚度从接触点向外连续增大，所以会看到交替出现的暗环和亮环。因为不同颜色的光对应于不同的波长，所以不同颜色的亮环半径也就略有不同，结果就会看到类似彩虹一样的色环了。
勤奋出天才
牛顿是一位杰出的科学家，他成功地进行了把白光分解为光谱色的实验和揭示了颜色之谜，奠定了近代光学的基础。他的伟大还远不在此，他完成了经典力学体系而奠定了近代物理学的基础；他由于确定了万有引力定律而奠定了近代天文学的基础；他还发明了微积分而为高等数学奠定了基础。牛顿作出了如此众多的开创科学新时代的重大发现，在人类发展科学知识的征途中，建立了永垂万世的功勋。
牛顿为什么会有这样杰出的科学成就呢？也许有人认为这完全是因为牛顿天资聪明、才能出众，但牛顿自己并不同意这种看法，他说：“我只是对一件事情很长时间，很热心地去考虑罢了！”这句话是很有道理的，我们并不否认天赋的作用，也不回避牛顿在青年时代已与众不同，可是勤奋地学习，废寝忘食地工作，专心致志地长时间思考，这种后天的实践，才是他成功的主要原因。
少年时代的牛顿并不太聪明，在学校里常常遭人冷眼，学习成绩低劣。但在为此而受人侮辱后，牛顿决心甩掉“劣等生”的帽子，开始发奋读书。牛顿是“勤奋”两字的最好实践者，他深明勤奋的意义和价值，他更为后人留下了勤奋的记录和榜样。牛顿孜孜不倦，顽强坚韧所取得的成功，正是他勤奋工作的写照。