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論中國(guó)古代物理
古代物理篇一：中國(guó)古代物理學(xué)貢獻(xiàn)
中國(guó)古代物理學(xué)貢獻(xiàn)
物理，古人云“事物的道理”，為歷代大儒名宦所重。古代中國(guó)人不僅記述了許多物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了一些物理規(guī)律或定理，尚有飽含物理知識(shí)的詩(shī)詞歌賦傳世。 本文展現(xiàn)了中國(guó)古代科學(xué)在物理學(xué)方面的概貌。中國(guó)古代物理學(xué)可與西方同一時(shí)期相比的有力學(xué)與光學(xué)兩個(gè)分支；在電磁學(xué)和熱學(xué)方面，中國(guó)取得了遠(yuǎn)勝于西方的成就；在聲學(xué)，特別是在樂律方面更是成績(jī)卓著。
在古代，物理則與日常生活息息相關(guān)。下面，依據(jù)生產(chǎn)技術(shù)和社會(huì)形態(tài)以及科學(xué)著作誕生年代，我們選擇具有代表性的跟物理學(xué)有關(guān)的記載，介紹中國(guó)古代物理學(xué)發(fā)展概況.
一。力學(xué)方面 《墨經(jīng)》最早對(duì)力下了定義：“力荊之所以?shī)^也”.意思是力是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因.《墨經(jīng)》第114. 116條對(duì)時(shí)間和空間最早作出了正確定義:“宇或徒，說(shuō)在長(zhǎng)宇久”；“行修以久，說(shuō)在先后�！币馑际钦f(shuō)物體位置改變是空間隨著時(shí)間自近而遠(yuǎn)的持續(xù)增長(zhǎng)�！澳�(jīng)”還最早論述了“杠桿原理”和“浮體平衡原理”。《論衡.狀留篇》中的:“是故車行于陸， 船行于溝，其滿而重者行遲，空而輕者行疾。" “任重，其進(jìn)取疾速，難矣�！币饧丛谝欢ㄍ饬� 條件下，較重的物體運(yùn)動(dòng)較慢，其開始運(yùn)動(dòng)和 加快運(yùn)動(dòng)也難。《論衡》中:“古之多力者、身 能負(fù)荷千鈞。手能決角伸鈞，使之自舉，不能 離地”。最早提出系統(tǒng)的內(nèi)力不能使物體運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。
2. 2熱學(xué)方面
《考工記》中：“凡鑄金之狀，金(銅)與錫；黑蝕之氣竭，黃白次之;黃白氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之.然后可鑄也�！笔俏覈�(guó)最早對(duì)溫度的認(rèn)識(shí)，這
段大意是在熔煉金屬過(guò)程中，根據(jù)物體顏色判斷物體冷熱程度。 《論衡》中:“云霧、雨之徽也，夏則為露， 冬則為霜，溫則為雨，寒則為雪，雨露凍凝者， 皆由地發(fā)，不從天降也�！钡恼撌鍪鞘澜缟献钤绶治鲆荒晁募疚飸B(tài)變化形成的原因�！墩撓� .寒溫篇》中的論述:“夫近水則寒，近火則溫， 遠(yuǎn)則漸微。何則?氣之所加，遠(yuǎn)近有差也”。是 世界上最早對(duì)熱傳導(dǎo)的論述。
2. 3磁學(xué)方面
春秋末期(約公元前5世紀(jì))《管子·地?cái)?shù)篇》有：“山上有慈石，其下有銅金"。約公元前239年的《呂氏春秋·精通》中有：“慈石召鐵，或引之也”.這是世界上最早對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。
2.5聲學(xué)方面
我國(guó)古代很早就對(duì)共振現(xiàn)象有記述，公元前3世紀(jì)—4世紀(jì)的《莊子》一書就記載了調(diào)瑟時(shí)發(fā)生的共振現(xiàn)象。這種基音與泛音共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)比西方早得多，歐洲直到15世紀(jì)才由達(dá)·芬奇首次進(jìn)行共振實(shí)驗(yàn)�！赌印溲ㄆ愤�記述了共振現(xiàn)象的具體應(yīng)用：在城墻根下每隔幾米，挖一個(gè)坑，坑內(nèi)埋置容量為70升—80升的陶甕，甕口蒙上皮革。若有敵人挖地道攻城，可以根據(jù)各陶甕聲響情況，確定敵人挖掘的位置和方向。
3.5電學(xué)方面
《論衡》中的“頓牟掇芥慈石級(jí)緘”。(頓牟；墟泊；芥；=種很輕草木；械；針；綴；吸引)；說(shuō)明人們已經(jīng)對(duì)電、磁有了相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)。
4. 2磁學(xué)方面
《夢(mèng)溪筆談》第58條：“以磁石磨針鋒，則銳處指南，亦有指北者，恐石性不同”，這段話說(shuō)明當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)了磁鐵有兩極；《夢(mèng)溪筆談》第437記載的：“方
家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。”記述的磁偏角，比西方發(fā)現(xiàn)地磁偏角早了四百多年�！秹�(mèng)溪筆談》中還介紹了指南針?biāo)姆N安裝法：水浮法；指甲法；碗唇法；懸絲法。
4. 3光學(xué)方面
《夢(mèng)溪筆談》記述的：“陽(yáng)艘向日照之.則光聚向內(nèi)，離鏡一二寸，光聚為一點(diǎn)，大如麻寂，著物則火發(fā)�！薄瓣�(yáng)健面洼，以一指迫而照之則正，漸遠(yuǎn)則無(wú)所見，過(guò)此遂倒。”這是說(shuō)手指在鏡面與焦點(diǎn)之間處成正立像.在焦點(diǎn)處無(wú)像，在焦點(diǎn)以外成倒立像，說(shuō)明當(dāng)時(shí)對(duì)凸透鏡聚光及球面鏡成像已進(jìn)行相當(dāng)成功的研究。4. 4聲學(xué)方面
《夢(mèng)溪筆談》中：“欲知其應(yīng)者，先調(diào)其弦，先調(diào)其弦令聲和，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人躍，它弦即不動(dòng)�！边@是沈括以紙游碼實(shí)驗(yàn)證明了聲的共振現(xiàn)象，比英國(guó)的諾布爾所做的“紙游碼”實(shí)驗(yàn)早500年。
總的看來(lái)，我國(guó)古代物理學(xué)知識(shí)與古代精湛的工藝技術(shù)往往密不可分，在技術(shù)的發(fā)展中，成就了我國(guó)輝煌的古代物理學(xué)。中國(guó)古代物理學(xué)有力地推動(dòng)了當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化的發(fā)展，極大地豐富了人民的生活，提高了生產(chǎn)效率，加速了文化的傳播。中國(guó)古代物理學(xué)同樣是世界物理學(xué)史上絢爛的一筆。
古代物理篇二：中國(guó)古代趣味物理實(shí)驗(yàn)大集合
中國(guó)古代趣味物理實(shí)驗(yàn)大集合
摘要：將分布在中國(guó)古籍中的一些趣味性濃的物理實(shí)驗(yàn)收集攏來(lái)予以介紹，扼要地分析了實(shí)驗(yàn)原理與方法，指出其在當(dāng)今物理學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)了解中國(guó)古代物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生、變化、發(fā)展的歷程具有參考價(jià)值。
繼“中國(guó)古代趣味物理實(shí)驗(yàn)拾零”、“中國(guó)古代趣味物理實(shí)驗(yàn)十摘”之后，又從古籍中挑選出部分趣味物理實(shí)驗(yàn)予以介紹。并扼要分析實(shí)驗(yàn)原理與方法。
1迎風(fēng)轉(zhuǎn)秫
《帝京景物略》云：“剖秫秸二寸，錯(cuò)互貼方紙，其兩端各紅綠，中孔，以細(xì)竹橫安秫竿上，迎風(fēng)張而疾趨，則轉(zhuǎn)如輪，紅綠渾渾如暈�！�
這是一個(gè)利用風(fēng)能去推動(dòng)秫秸轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)演示了顏色合成。儀器制作與實(shí)驗(yàn)過(guò)程大體如此：將去掉穗的高粱桿截成若干段，每段長(zhǎng)二寸，剖開。分別把紅紙、綠紙剪成方形，并把它們交叉地貼在高粱桿的兩端。把高粱桿也交叉放在一起，在交叉的高粱桿的中部鉆孔，用細(xì)竹一端穿過(guò)小孔作為轉(zhuǎn)軸，手持細(xì)竹另一端逆風(fēng)行走，紙片張開，高粱桿快速轉(zhuǎn)動(dòng)，狀如飛輪。此時(shí)，紅綠兩種顏色就像日暈?zāi)菢訙喨灰惑w，形成十分美麗的色環(huán)。
本實(shí)驗(yàn)中的“儀器”，人們稱它為“風(fēng)車”，是一種兒童玩具。這種“儀器”，在中國(guó)古代統(tǒng)治者心目中，肯定不能登大雅之堂。因此，從事科學(xué)研究的人們，總是想方設(shè)法把自己的發(fā)現(xiàn)以玩器的形式保存下來(lái)，以啟迪思維，激發(fā)智力。
2著翼起飛
《漢書·王莽傳》云：“取大鳥翮為兩翼，頭與身皆著毛，通引環(huán)鈕，飛數(shù)百步墮�！边@是一個(gè)滑翔飛行實(shí)驗(yàn)：用大鳥羽拼合成兩只大翅膀，用牽引線把它們固定在人身兩側(cè)，人從頭到腳裝上羽毛，然后拉著牽引線迅速奔跑，就會(huì)象鳥兒一樣飛向空中，飛行數(shù)百步掉下。我們清楚，鳥在飛行時(shí)，翅膀的上面往往向上凸起，下面平直或略微凹進(jìn)。如果直接將大鳥翅膀作飛翼，或?qū)⑷舾渗B的羽莖拼織成鳥翼形狀，那么人拉著“翅膀”迅跑時(shí)，空氣就相對(duì)“翅膀”向后移動(dòng)。因“翅膀”上凸下平，流過(guò)“翅膀”上面的空氣，需要繞一個(gè)彎，其流速要比“翅膀”下面空氣的流速快。這樣，“翅膀”上面空氣流速快，壓強(qiáng)小，“翅膀”下面空氣流速慢，壓強(qiáng)大，使“翅膀”上下產(chǎn)生壓強(qiáng)差。這個(gè)壓強(qiáng)差，會(huì)產(chǎn)生一股把“翅膀”向上托起的升力，這個(gè)升力可把物體托向空中。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)，是人類第一次進(jìn)行滑翔飛行的實(shí)驗(yàn)。它驚險(xiǎn)，有趣，盡管可能不會(huì)成功，但試驗(yàn)者需承擔(dān)較大風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，我們的祖先何等聰明和勇敢。
3水中浮丹
宋代洪邁在《夷堅(jiān)志》中介紹：“宣和中，蔡魯公閉居京師，有方士持陰陽(yáng)丹一兩許，如彈子大，色正紅，以獻(xiàn)之。置之水中，隨十二時(shí)上下，六陽(yáng)時(shí)則浮上，六陰時(shí)則沉。仍各準(zhǔn)其方位，不差晷刻�！�
陰陽(yáng)丹的組成成份是什么，洪邁沒有說(shuō)明。但在宋代，“水中浮丹”的研究是比較深入的，哪些材料制丹能在水中自由游走，哪些材料制丹可在水中自動(dòng)沉浮，實(shí)驗(yàn)一絲不茍。蘇軾就曾提到：“獐腦黃蠟和勻染黑，投水中作蝌蚪，自然水中走動(dòng)�！薄陡裎锎终劇分械摹案∷�
丹”是用樟腦、銀珠搗成的。此外，《北夢(mèng)瑣言》還記載了一個(gè)盆中游魚的實(shí)驗(yàn)：“戍州刺史文思輅亦有戲術(shù)，曾剪紙魚投于盆內(nèi)活�！睆暮檫~的記錄看，陰陽(yáng)丹在水中的運(yùn)動(dòng)很像潛水艇的沉浮。這使人想起阿基米德原理：浸入液體里的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體受到的重力。由此可知，當(dāng)?shù)さ谋戎卮笥谝后w比重時(shí)，丹會(huì)下沉，當(dāng)?shù)さ谋戎匦∮谝后w比重時(shí)，丹則上浮。
樟腦丸為什么能在水中自動(dòng)沉浮呢？原來(lái)，實(shí)驗(yàn)中的“水”為醋酸溶液，樟腦丸的比重比醋酸溶液略微大一些，所以開始時(shí)樟腦丸沉入杯底。但由于醋酸與碳酸鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w聚集在樟腦丸的表面，使樟腦丸和氣泡這一整體的比重小于液體比重，樟腦丸浮了起來(lái)。當(dāng)樟腦丸浮到液面時(shí)，附在樟腦丸表面上的二氧化碳?xì)怏w逸出，剩下的氣泡連同水對(duì)樟腦丸上向的浮力支持不住樟腦丸的重量，于是又沉入杯底。
當(dāng)今課堂上，有些物理或化學(xué)老師就做過(guò)這種實(shí)驗(yàn)：在半杯醋酸里加入碳酸鈉數(shù)粒，然后把一粒樟腦丸放入杯里。樟腦丸起初沉入杯底，過(guò)一會(huì)兒就會(huì)慢慢浮上來(lái)，浮到液面后再沉下去，然后又浮起來(lái)，如此反復(fù)，十分有趣。
4空中飛蝶
張岱在《夜航船》中指出：“竹內(nèi)膜純陰，將酥涂其上，見太陽(yáng)即飛，名飛蝴蝶�！边@是一個(gè)什么實(shí)驗(yàn)？筆者不敢肯定。從字面上看，它好像是一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過(guò)改進(jìn)的“雞子舉飛”：從竹筒中取一張竹膜，將其收擾成球狀，在接口處內(nèi)側(cè)涂上適量酥油，使竹膜像一個(gè)吹足空氣的氣球。然后把竹膜放在太陽(yáng)下加熱，竹膜球內(nèi)部空氣受熱膨脹，當(dāng)球內(nèi)空氣壓力較大時(shí)，空氣從酥油粘合處沖開一個(gè)缺口，這樣氣體對(duì)竹膜球產(chǎn)生反作用力，使竹膜球飛向空中。與“雞子舉飛”(蘇軾《物類相感志》：“雞子開小竅，去黃白了，入露水，又以油紙糊了，日中曬之，可以開起，離地三四尺�！�)實(shí)驗(yàn)比較，竹膜球的體積可以做得很大但重量極輕，這會(huì)使實(shí)驗(yàn)更易成功。另一方面，因竹膜重量輕，將其加工成蝴蝶或其他形狀，也不至使竹膜不能起飛，但卻會(huì)使實(shí)驗(yàn)變得更有趣。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，的確令人佩服。
5銅蟾滴水
“古銅蟾蜍，章申公研滴也。每注水滿中，置蜍研仄，不假人力而蜍口出泡，泡殞則滴水入研，已而復(fù)吐，腹空而止�！�
意思是：章申公有一個(gè)銅制研滴，形如蟾蜍，顯得非常古樸。將它放在研側(cè)，注入水，不用借助人工操作，蟾蜍口中就能吐出水泡，泡滅水滴落入研盤，過(guò)一會(huì)又吐水泡，如此反復(fù)，直到蜍腹中的水吐完。
這是一個(gè)利用毛細(xì)管引水入研的有趣實(shí)驗(yàn)。我們清楚，水能潤(rùn)濕銅，將銅管插入水中，管中液柱的高度，與液體表面張力系數(shù)、毛細(xì)管內(nèi)徑以及液體與固體的接觸角有關(guān)。當(dāng)液體與固體材料確定后，毛細(xì)管內(nèi)徑越細(xì)，管內(nèi)液柱越高。因此，用毛細(xì)管能達(dá)到引水目的。有趣的是，上述實(shí)驗(yàn)中毛細(xì)管可能就設(shè)在人眼無(wú)法看見的研滴壁中，毛細(xì)管內(nèi)壁較粗糙，水從蜍腹底部潤(rùn)濕至向研盤方向傾斜的蜍口側(cè)而慢慢形成水滴，當(dāng)水滴重力大于水的表面張力時(shí)，水滴入研盤中.
6紙銚煎茶
張岱在《夜航船》中指出：“雞子白調(diào)白礬末刷紙，作銚子煎茶，沸而不燒其紙�！彪u子
白即雞蛋清，白礬即明礬。用雞蛋清與明礬粉末和勻涂刷紙上作成銚子，放在火焰上煎茶，水沸而紙不燃。
我們清楚，普通煤爐的火焰溫度約600℃，而紙的著火點(diǎn)是183℃，用煤爐燒紙，紙會(huì)燃為灰燼。但用紙銚煎茶，情況就不一樣了。爐火燃燒時(shí)，銚子內(nèi)的水會(huì)不斷吸熱，使紙冷卻。由于水的沸點(diǎn)是100℃。水會(huì)在這個(gè)溫度下變?yōu)檎魵鈱⒍嘤嗟臒釒ё�，所以沸水溫度不�?huì)超過(guò)100℃，這個(gè)溫度低于紙的著火點(diǎn)，只要銚子里的水不干，同時(shí)注意銚子水面以上不接觸火焰，紙就不會(huì)燃燒。
為了防止紙銚水面以上部分被火焰燃燒和紙銚滲水現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)也為了增加紙銚能夠承受水的壓力，在紙銚上涂上雞蛋清與明礬混合物，實(shí)驗(yàn)就容易獲得成功。
初中物理課本中的“紙鍋燒水”實(shí)驗(yàn)，可能就是從“紙銚煎荼”演變過(guò)來(lái)的，而“紙鍋燒水”更具有說(shuō)服力和驚險(xiǎn)性。
7刻魚測(cè)雨
漢代有一個(gè)奇特的物理實(shí)驗(yàn)，儀器是用玉石雕刻的魚。這種魚可能為橢圓形、中空，髟耆尾皆具。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且贼~的鳴吼來(lái)預(yù)測(cè)天氣。原文見《西京雜記》：“昆明池刻玉石為魚。每至雷雨常鳴吼，髟耆尾皆動(dòng)。漢世祭之祈雨，往往有驗(yàn)�！边@個(gè)實(shí)驗(yàn)巧妙地運(yùn)用了共振效應(yīng)，效果相當(dāng)不錯(cuò)。使那些不知原理的人。對(duì)石魚產(chǎn)生敬仰，并頂禮膜拜。
我們清楚，風(fēng)暴時(shí)，強(qiáng)風(fēng)掠過(guò)海面會(huì)產(chǎn)生次聲波，次聲波和風(fēng)暴怒吼的聲波一起向四面八方傳播，聲波很容易被空氣和大�！俺浴钡簦ㄓ蓄l率很低的次聲波在傳播過(guò)程中能量損失慢、傳播距離遠(yuǎn)。加之次聲波比風(fēng)浪速度快許多倍，它能成為風(fēng)暴來(lái)臨的警報(bào)。但次聲人耳無(wú)法分辨，如果能制造一種儀器，將次聲變?yōu)榭陕劼暎敲催@一裝置就成為一種風(fēng)暴報(bào)警器。石魚就是這樣一種裝置：它張口，腹空，當(dāng)次聲波不斷對(duì)它施以周期性外力時(shí)，石魚作受迫振動(dòng)。若聲波的策動(dòng)力頻率與石魚的固有頻率成倍數(shù)關(guān)系，石魚產(chǎn)生非線性共振，發(fā)出聲波。其中，高頻部分為可聞聲。此時(shí)，石魚“髟耆尾該動(dòng)”，其聲學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為大聲“鳴吼”。在中國(guó)古代，利用共振效應(yīng)預(yù)測(cè)天氣、地震、兵亂的例子不勝枚舉。如：“石鼓，冀縣有天鼓山，山有石如鼓，河鼓星搖動(dòng)，則石鼓鳴，鳴則秦土有殃”；“陜州黃河有鐘，大水小水常自浮出，每昧朔陰雨之日輒鳴，聲響悲亮，行客聞之莫不愴然”；“康熙戊申六月十七日戌刻，山東、江南、浙江諸省，同時(shí)地大震……又天鼓鳴，鐘鼓自嗚”；“漢武帝時(shí)，未央宮前殿鐘無(wú)故自鳴，三日三夜不止。詔問太史，待詔王朔，朔言恐有兵氣。”
可見，“刻魚測(cè)雨”實(shí)驗(yàn)有其堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，這些理論是在不斷觀察、分析中總結(jié)出來(lái)的。我國(guó)漢代就有如此奇妙的實(shí)驗(yàn)，這的確是炎黃子孫值得驕傲的事情。
8固體傳聲
“截竹筒兩枚，空其兩端，各以一面用皮紙冒之，膠封甚固。兩筒紙面相向，取長(zhǎng)數(shù)丈細(xì)線穿過(guò)之，使兩人各執(zhí)一筒，一人屬口于此筒之空面，一人屬耳于彼筒之空面，相去數(shù)丈，屬口者隨意言語(yǔ)，屬耳者聽之了了，他人不聞也�！�
這是一個(gè)證明固體也能傳聲的實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)行初中物理課本也能找到。實(shí)驗(yàn)中的裝置，叫“傳聲筒”，今稱“土電話”。很明顯，當(dāng)有人對(duì)著細(xì)線一端的竹筒(發(fā)話筒)講話時(shí)，空氣發(fā)生振動(dòng)，它推動(dòng)皮紙與細(xì)線振動(dòng)。此時(shí)，細(xì)線另一端的皮紙也跟著振動(dòng)，這樣皮紙又帶
動(dòng)竹筒(受話筒)內(nèi)空氣振動(dòng)，把聲音傳給受話的一方。這里，話筒起著“共鳴”箱的作用。在中國(guó)古代，常常有人通過(guò)挖掘地道的方法向城內(nèi)發(fā)起進(jìn)攻，為了判辨敵方是否采用這一手段，就得使人偵察�！赌�(jīng)》云：“令陶者為罌，空四十斗以上，固(順)之以薄革各革，置井中，使聰耳伏罌而聽之，審知穴之所在，鑿穴迎之�！�
仔細(xì)分析，上述“傳聲筒”與《墨經(jīng)》中的“聽甕”相似�？梢哉J(rèn)為，“罌”相當(dāng)于“聽話筒”，敵人的地道相當(dāng)于“發(fā)話筒”，而連接地道與罌里的泥土相當(dāng)于“線”。不僅如此，“聽翁”裝置與當(dāng)今有線電話也相似，如果把“聽翁”裝置說(shuō)成是電話的始祖，應(yīng)當(dāng)是可以使人接受的。 9銅鏡透字
古代有一種鏡子，用銅鑄成，不僅能照人容貌，而且當(dāng)光束射到鏡面時(shí)，鑄在鏡子背面的銘文圖案，還會(huì)“透”過(guò)鏡子映現(xiàn)在屋壁上，非常清楚。這種鏡子叫“透光鏡”，現(xiàn)已作為演示實(shí)驗(yàn)儀器將它搬上講臺(tái)。透光鏡始于西漢。它與編鐘、魚洗一起，被稱為中國(guó)古代青銅三寶。
用透光鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，最早的文字記載見于隋唐的《古鏡記》，因文字較長(zhǎng)，不作敘述�，F(xiàn)摘北宋沈括的實(shí)驗(yàn)記錄如下：
“世有透光鑒，鑒背有銘文，凡二十字，字極古，莫能讀。以鑒承日光，則背文及二十字皆透屋壁上，了了分明�！�
銅鏡何以透光？沈括說(shuō)：“人有原其理，以為鑄時(shí)薄處先冷，唯背文上差厚，后冷而銅縮多。文雖在背，而鑒面隱然有跡，所以于光中現(xiàn)�！边@種解釋合符科學(xué)道理。顯然，透光鏡鑄成后，鏡面會(huì)有肉眼不易覺察的與鏡背銘文相對(duì)應(yīng)的微小起伏，這種微小起伏是在鑄造加工中形成的。鑄鏡時(shí)，鏡背的花紋凹凸處凝固收縮，產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，加之鏡面在研磨時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)力，造成彈性形變。當(dāng)鏡面研磨到一定的程度時(shí)，這些因素共同作用，使鏡面產(chǎn)生與鏡背銘文相應(yīng)的曲率。光束照在鏡面，鏡的微小起伏經(jīng)光程放大，便顯示出其“透光”效應(yīng)了。關(guān)于透光鏡的文字記載還有許多，如宋代的《癸卒雜識(shí)》、《云煙過(guò)眼錄》、元代的《間居錄》、清代的《銅仙傳》、《鏡鏡言令癡》、《前塵夢(mèng)影錄》、《淵鑒類函》等等均有涉及。 10小孔成像
小孔成像是初中課本中一個(gè)重要的物理實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)最早見于《墨經(jīng)》：“景到，在午有端與景長(zhǎng)，說(shuō)在端�！薄熬埃汗庵�，煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下，在遠(yuǎn)近有端與于光，故景庫(kù)內(nèi)也。”意思是：景像倒立，在于光線交錯(cuò)處有一點(diǎn)狀小孔，同時(shí)，影像與物體有一定長(zhǎng)度(距離)。因?yàn)辄c(diǎn)狀小孔極小。影像：光線照到人身上，象箭射入小孔一樣。照到人的最下部位反射而成人的最高部位，照到人的最高部位反射而成人的最下部位。人足在下遮蔽著下光，所以腳的影像映在壁的上方；人頭在上遮蔽著上光，所以頭的影像映在壁的下方。由于在物體的遠(yuǎn)處或近處有一點(diǎn)狀小孔和物體被光線直線所射，所以影像倒立在窟孔里面的壁上。
小孔成像實(shí)驗(yàn)記載還有許多，北宋沈括在解釋“陽(yáng)燧照物皆倒”時(shí)就涉及到小孔成像的問題：“若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗隙所束，則影與鳶相違：鳶東則影西，鳶西則影東�！彼文┰醯内w友欽還以樓房為光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)專門研究。元代郭守敬發(fā)明的“仰儀”和“景符”也運(yùn)用了小孔成像原理。
值得指出的是，上面敘述只限于“倒像”，直代清代，鄭復(fù)光才指出影屏上還能形成正像(光斑)的事實(shí)。
11懸鏡照鄰
《淮南萬(wàn)畢術(shù)》云：“高懸大鏡，坐見四鄰�！备哒T注曰；“取大鏡高懸，置水盆于其下，則見四鄰矣�！蔽覀兦宄�，靜止的水面是光的良好反射面，還在原始社會(huì)，人類就已注意到平靜湖面中的倒影(像)。早在殷商時(shí)代，我國(guó)就已有人利用靜止的盤水作為照像器具，這種器具叫“水鑒”，即后來(lái)所說(shuō)的“水鏡”。
在懸鏡照鄰實(shí)驗(yàn)中，水盆的作用是把從大鏡反射到水盆水面的光線再反射給人眼，使人能看到宅內(nèi)看不見的宅外景像。很明顯，水盆與大鏡的組合，已構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置———潛望鏡。中學(xué)課本中的潛望鏡，通常是把兩面玻璃鏡成45°角安裝在“Ｚ”形曲管的轉(zhuǎn)彎處，而上述潛望鏡則沒有“Ｚ”形曲管，所以人們把它叫做開管潛望鏡，它是潛望鏡的鼻祖。
12杯中顯“影”
“徐州護(hù)戎陳皋供奉，行田間遇開墓者，得瑪瑙盂，圓凈無(wú)雕鏤紋，盂中容二合許，疑古酒卮也。陳用以貯水注硯，因間硯之中有一鯽，長(zhǎng)寸許，游泳可愛。意為偶汲池水得之，不以為異也。后或疑之，取置缶中，盡出余水，驗(yàn)之魚不復(fù)見。復(fù)酌水滿中，須臾一魚泛然而起，以手取之，終無(wú)形體可拘。復(fù)不可知為何寶也。余視之?dāng)?shù)矣�！�
關(guān)于容器中的顯“影”現(xiàn)象，張英、王士禎在《淵鑒類函》中也有記載：“真率齊筆記云：關(guān)關(guān)贈(zèng)余本明以青華酒杯，酌酒輒有異香在內(nèi)，或有桂花，或梅，或蘭，視之宛然，取之若影，干則不見矣�！庇纱丝芍�，關(guān)關(guān)贈(zèng)余本明的酒杯不止一個(gè)，且每個(gè)酒杯裝酒后會(huì)顯示出不同圖象。顯然，杯中顯“影”并非偶然，它是人們對(duì)酒杯特意加工后形成的。1979年，山西省侯馬市一工廠科技人員，通過(guò)長(zhǎng)期研究，仿制蝴蝶杯獲得成功，其原理如下：在杯底中央嵌裝一枚凸透鏡，在杯腳里以細(xì)彈簧(游絲)裝上一個(gè)彩蝶，只要杯受微小干擾，彩蝶就能舞動(dòng)。杯中無(wú)酒時(shí)，彩蝶在凸透鏡焦點(diǎn)之外，造成與人眼同側(cè)的實(shí)像，人眼視之很模糊。斟酒入杯后，這層透明的酒成了一枚凹透鏡，凸透鏡與凹透鏡組合成為復(fù)合透鏡。復(fù)合透鏡的焦距比凸透鏡的焦距大，彩蝶便落在復(fù)合透鏡焦距之內(nèi)，造成了放大的虛象，大約位于明視距離處。此時(shí)復(fù)合鏡起放大鏡作用，故人眼很清楚地看到放大了的蝴蝶。因杯拿在手里總要受點(diǎn)干擾，蝴蝶也就翩翩起舞了。古人硯中可能沒有彈簧，但水面微小的波動(dòng)，足以使鯽“游泳可愛”。
古代物理篇三：中國(guó)古代物理知識(shí)的代表作
中國(guó)古代物理知識(shí)的代表作
在中國(guó)古代，物理學(xué)雖一直沒有從哲學(xué)和自然科學(xué)中分化出來(lái)成為一門獨(dú)立的科學(xué)，然而通過(guò)含有物理知識(shí)的哲學(xué)、自然科學(xué)和科技知識(shí)等著作的流傳和有關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，物理知識(shí)還是不斷地在社會(huì)上傳播，仍然得到了一定的發(fā)展，并在其運(yùn)用中還有許多舉世聞名的發(fā)明創(chuàng)造，以致今天人們?cè)谧穼の锢斫虒W(xué)的歷史淵源時(shí)，不能不看到它們?cè)谥袊?guó)的黃土地上已有最早萌發(fā)的綠芽。這里，我們僅對(duì)古代在傳授物理知識(shí)方面比較突出的著作中的主要物理內(nèi)容及其運(yùn)用物理知識(shí)的典型事例，作一扼要的介紹。
一、《墨經(jīng)》
《墨經(jīng)》是墨家學(xué)派的著作，也是他們進(jìn)行私學(xué)教育的教材。《墨經(jīng)》中有關(guān)物理知識(shí)的內(nèi)容，主要是在力學(xué)和光學(xué)方面。
1.力學(xué)方面
《墨經(jīng)》中對(duì)時(shí)間和空間概念分別作了正確的定義。如“久，彌異時(shí)也”�！坝�，彌異所也”。就是說(shuō)，時(shí)間是不同時(shí)候的通稱�？臻g是包括各個(gè)方面的一切地點(diǎn)。并區(qū)分了時(shí)間和時(shí)刻的概念，如“始，當(dāng)時(shí)也�！薄皶r(shí)，或有久，或無(wú)久。始，當(dāng)無(wú)久�！本褪钦f(shuō)，時(shí)間可分為“持續(xù)（有久）的”和“非持續(xù)（無(wú)久）的”，即瞬時(shí)的兩種�！伴_始”則屬于“無(wú)久”的瞬時(shí)的那一種。墨家又把機(jī)械運(yùn)動(dòng)定義為“動(dòng)，或（域）徒也”。意思是說(shuō)，運(yùn)動(dòng)乃是物體空間位置的變動(dòng)。
《墨經(jīng)》中對(duì)力的概念提出了初步的論述。“力，刑（形）之所以?shī)^也�！奔词钦f(shuō)，力是使物體開始運(yùn)動(dòng)或加快運(yùn)動(dòng)的原因。《墨經(jīng)》中還進(jìn)一步把重量與力聯(lián)系了起來(lái)，“力，重之謂。下與（舉），重，奮也”。顯然它指出了物體的重量也是一種力。并說(shuō)明物體下落或向上舉時(shí)，都有力的作用。墨家以桔槔和秤的工作原理為例，總結(jié)了杠桿的工作原理，提出了“本（重臂）”、“標(biāo)（力臂）”、“權(quán)”、“重”等概念，論述了等臂杠桿和不等臂杠桿的平衡條件，并指出“挈，長(zhǎng)重者下，輕短者上。”即杠桿的平衡，不但取決于兩物的重量，還與“本”、“標(biāo)”的長(zhǎng)短有關(guān)�？梢娔乙阎懒丝梢杂脙煞N方法來(lái)調(diào)節(jié)杠桿的平衡，并已進(jìn)行了杠桿原理的探討。
墨家還敘述了斜面上的物體失去平衡的道理，以及利用斜面來(lái)提升重物的方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種裝著滑輪的前低后高的斜面車，稱為“車梯”，用來(lái)載重物沿斜面不斷升高，以節(jié)省人力。
2.光學(xué)方面
《墨經(jīng)》從早為人們認(rèn)識(shí)的光的直線傳播原理出發(fā)，首先提出了影與光、物之間的關(guān)系。如“景不徙，說(shuō)在改為。”就是說(shuō)影是不動(dòng)的，為什么有時(shí)看到影在移動(dòng)呢？這是由于光源（或物體）移動(dòng)而使影改變位置的緣故。接著對(duì)本影和半影及影子的大小跟光源、物體的關(guān)系等等作了論述，如“景二，說(shuō)在重�！薄熬爸笮。f(shuō)在迆正、遠(yuǎn)近�！边@兩句分別是說(shuō)，兩種陰影區(qū)之所以形成，是由于兩個(gè)光源的光線照射到同一物體上，在物體后面產(chǎn)生的兩個(gè)陰影區(qū)互相重疊的結(jié)果。同一物體之影所以會(huì)有時(shí)大有時(shí)小，是由于光線照射于該物體有時(shí)斜、有時(shí)正，以及光源離物體有時(shí)遠(yuǎn)、有時(shí)近的緣故。又如“景倒，在午有端，與景長(zhǎng)，說(shuō)
在端”，指出了小孔成像之所以倒立，是由于光線在小孔處交叉，至于像的長(zhǎng)短，則于小孔的位置有關(guān)。并進(jìn)一步說(shuō)“光之人照若射。下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在遠(yuǎn)近有端與于光，故景庫(kù)內(nèi)也。”具體解釋了小孔成像的原因。
《墨經(jīng)》還介紹了平面鏡成像，敘述了凹面鏡、凸面鏡成像的規(guī)律，如“低，景一小而易，一大而正，說(shuō)在中之內(nèi)外。”即凹面鏡可以生成一個(gè)倒立縮小的實(shí)像，或一個(gè)正立放大的虛像，原因是由于人在球面中心和焦點(diǎn)之外還是之內(nèi)。又如“團(tuán)，景一�！奔次矬w不管離凸面鏡的距離遠(yuǎn)近如何，凸面鏡只可以生成一個(gè)正立縮小的虛像�？梢�，墨家私學(xué)不僅相當(dāng)系統(tǒng)地研究和傳授了幾何光學(xué)方面的知識(shí)，得出了精辟的見解和結(jié)論，而且在研究和傳授中已運(yùn)用了觀察、分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法。
此外，墨翟曾在地下設(shè)甕，利用共鳴現(xiàn)象，探查敵方挖洞攻城的計(jì)謀。到宋代曾公亮，在他的《武經(jīng)總要》中，把這種方法稱為“甕聽”，這是聲學(xué)效應(yīng)在軍事中的應(yīng)用。
二、《考工記》
《考工記》是春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期齊國(guó)人的一部科技著作。它是我國(guó)古代一部手工技術(shù)規(guī)范的匯集。全書所論包括了當(dāng)時(shí)手工業(yè)的主要工種，并在論述各種手工技術(shù)的同時(shí)，還闡述了其科學(xué)道理。經(jīng)分析可以看到在描述每一項(xiàng)手工技術(shù)的文字中都包含了一定的物理知識(shí)，其中主要是力學(xué)和熱學(xué)方面。
1.力學(xué)方面。《考工記·輪人篇》在論述車輪制造時(shí)，以受力、運(yùn)動(dòng)和不同接觸地面的影響等因素出發(fā)，在講到輪子的形狀與運(yùn)動(dòng)快慢之間的關(guān)系時(shí)說(shuō)：“凡察車之道……不微至，無(wú)以為速也”。“微至”是指輪和地面的接觸面積少。就是說(shuō)，車輪與地面接觸少，就容易轉(zhuǎn)得快。那么，怎樣才能達(dá)到“微至”呢？它接著指出：“欲其微至也，無(wú)所取之，取之圜（圓）�！奔匆M量把輪子做成理想圓。這是在實(shí)踐中對(duì)滾動(dòng)物體的滾動(dòng)速度與滾動(dòng)物體的接觸面積大小有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是符合近代摩擦理論的。在論述如何檢驗(yàn)輪子各部分是否做得均勻時(shí)，它說(shuō)：“楺輻必齊，平沈（沉）必均�！薄八员x（視）其平沈之均也。”這里水之，即浸入水中，如果“平沈”即浮沉相同，則輪子各部分必定是均勻的，就符合制作輪子的要求了。這是浮力原理在制造輪子中的應(yīng)用。在論述到輪子大小對(duì)拉力（�；蝰R）的影響時(shí)，它說(shuō)：輪太矮，馬就老在上坡一樣。從現(xiàn)在力學(xué)知識(shí)看，當(dāng)輪太低時(shí)，轅與地面成一角度，馬除了要克服運(yùn)動(dòng)阻力外，要承受部分重力，因此馬總象上坡一樣費(fèi)勁。這是實(shí)踐中對(duì)斜面受力的一種極好的分析。
《考工記》還分析了與彈道有關(guān)的技術(shù)。它在《矢人篇》中說(shuō)：“水之以辯其陰陽(yáng)，以設(shè)其比，夾其比以設(shè)其羽，參分其羽，以設(shè)其刃，則雖有疾風(fēng)，亦弗之能憚矣�！边@就是說(shuō)，為了要使箭在飛行中保持穩(wěn)定，采取了把箭上的羽毛按一定比例對(duì)稱地安排，然后加上箭頭，則在飛行中就不怕風(fēng)的影響了。接著又說(shuō)：“前弱則俛（俯），后弱則翔（仰），中弱則紆（紆絗旋轉(zhuǎn)之意），中強(qiáng)則揚(yáng)。”“羽豐則遲，羽殺則�！边@說(shuō)明了箭桿如果前輕后重，或前重后輕，都會(huì)影響飛行的高度；中間輕重配置不當(dāng)，會(huì)影響飛行的穩(wěn)定性；羽毛太多，則飛行速度慢。而羽毛太少，則箭容易落向旁側(cè)，射不到目的物。
《考工記》最早作出了關(guān)于物體慣性的論述。在《辀人篇》中說(shuō)：“勸登馬力，馬力既
竭，辀尤能一取焉”。意思是說(shuō)，馬拉車的時(shí)候，馬已停止用力了，但車還能前進(jìn)一段路程，這里指出了物體的一種基本屬性——慣性，這也是世界上對(duì)慣性現(xiàn)象的最早論述。
2.熱學(xué)方面
《考工記》中論述的熱學(xué)知識(shí)，是很有實(shí)際意義的。它說(shuō)：“凡鑄金之狀，金（銅）與錫，黑濁之氣竭，黃白次之，黃白之氣竭，青白次之，青白之氣竭，青氣次之。然后可鑄也�！敝赋隽艘睙捊饘贂r(shí)加熱后先呈暗紅色，溫度漸高，依次是呈橙色、黃色、白色、最后是青色。這是因?yàn)榻饘倮锖刑肌⑩c一類的雜質(zhì)，不同物質(zhì)有不同的汽化點(diǎn)，所以可以根據(jù)汽化物質(zhì)的顏色作為判斷火候或溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)，最后達(dá)到“爐火純青”，就可以澆鑄了。這個(gè)從實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的區(qū)別冶煉金屬程度的實(shí)際知識(shí)，傳至今日，仍為冶煉工人所利用。
三、《論衡》
《論衡》是東漢王充所著，內(nèi)容十分豐富，其所述的物理知識(shí)，也較之《墨經(jīng)》有十分明顯的充實(shí)和發(fā)展。
1.力學(xué)方面
王充在對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仔細(xì)觀察的基礎(chǔ)上，在《論衡》中指出了人的視覺，在觀察物體的運(yùn)動(dòng)快慢時(shí)會(huì)造成錯(cuò)覺的原因和如何量度物體運(yùn)動(dòng)的快慢。他在《論衡》中說(shuō)：“天行已疾，人去高遠(yuǎn)，視之若遲。蓋望遠(yuǎn)物者，動(dòng)若不動(dòng)，行若不行；何以驗(yàn)之？乘船江海之中，順風(fēng)而驅(qū)，近岸則行疾，遠(yuǎn)岸則行遲，船行一實(shí)也，或疾或遲，遠(yuǎn)近之視使之然也�！闭f(shuō)明是由于觀察者離運(yùn)動(dòng)物體遠(yuǎn)近不同，因而感到它的快慢也就不同了的道理。這也說(shuō)明王充已知道了視角差對(duì)于觀察物體運(yùn)動(dòng)快慢的影響。在關(guān)于運(yùn)動(dòng)的快慢上，又說(shuō)“日晝行千里，夜行千里，麒麟晝?nèi)找嘈星Ю�，然則日行舒疾與麒麟之步相類似也�！币馑际翘�(yáng)和麒麟在日間運(yùn)動(dòng)的快慢相比是一樣的，說(shuō)明已有了現(xiàn)代物理學(xué)中“速率”概念之萌芽。
關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，說(shuō)：“是故車行于陸，船行于溝，其滿而重者行遲，空而輕者行疾，”“任重，其進(jìn)取疾速，難矣�！庇终f(shuō)“古之多力者，身能負(fù)荷千鈞。①乎能決角伸鉤，使之自舉。不能離地。”顯然已不僅知道在外力的作用下，若外力大小一定，則物體越重，要它開始運(yùn)動(dòng)，或使之運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化就越難。這顯然是現(xiàn)在稱之為牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的萌芽，而且還認(rèn)識(shí)到內(nèi)力不能改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這一事實(shí)。
2.聲學(xué)方面
在《論衡》中有：“生人所以言語(yǔ)呼吁者，氣括口喉之中，動(dòng)搖其舌，張歙其口，故能成言。譬猶吹蕭笙，蕭笙折破，氣越不括?手無(wú)所弄，則不音。夫簫之管猶人之口吞也，手弄其孔猶人之動(dòng)吞也�！庇终f(shuō)：“令人操行變氣遠(yuǎn)近，宜與魚等，氣應(yīng)而變，宜與水均�！笨梢娝颜J(rèn)識(shí)到人發(fā)聲是使空氣振動(dòng)而產(chǎn)生的，并將聲音在空氣中的傳播用可見的水波的傳播來(lái)作了比喻。這種比喻，在今天的物理教學(xué)中，在講光的干涉和衍射時(shí)，不是仍然在運(yùn)用嗎？在這里，還應(yīng)特別予以注意的是王充實(shí)際上已指出了振動(dòng)的傳播要通過(guò)媒質(zhì)。
3.熱學(xué)方面
《論衡》中有“夫近水則寒，近火則溫，遠(yuǎn)之漸微，何則？氣之所加，遠(yuǎn)近有差也�！薄霸旗F，雨之征也，夏則為露，冬則為霜，溫則為雨，寒則為雪，雨露冰凝者，皆由地發(fā)，不從天降也�！边@些論述可以說(shuō)明，王充不僅用“氣”來(lái)解釋熱現(xiàn)象，指出熱傳遞與距離遠(yuǎn)近的關(guān)系，而且對(duì)自然界中雨、露、霜、雪的成因也進(jìn)行了研究，指出了它們都是地面上的水蒸發(fā)所致，所以實(shí)質(zhì)上他已進(jìn)入了物態(tài)與溫度之間的關(guān)系的研究。可見，王充對(duì)熱現(xiàn)象的觀察和分析是十分細(xì)致深入的，這種運(yùn)用觀察、分析的方法對(duì)現(xiàn)在的物理教學(xué)和科學(xué)研究，都有指導(dǎo)意義。
4.電磁方面
關(guān)于摩擦起電的現(xiàn)象，西周末年已有“玳瑁吸褡”的記載。（玳瑁是一種跟龜極相似的海生爬行動(dòng)物，產(chǎn)于中國(guó)沿海地區(qū)，它的甲殼黃褐色，光滑、有黑斑，是一種絕緣體，故摩擦能生電）。在《論衡》中，對(duì)這現(xiàn)象作了進(jìn)一步的解釋：“頓牟拾芥，磁石引針，皆以其真，不假他類，他類肖似，不能掇取者，何也？氣性異殊，不能相感動(dòng)也�！边@里頓牟即玳瑁，王充用氣性相同，也就是性質(zhì)相同來(lái)解釋上述相互吸引的現(xiàn)象，和氣性不同，即性質(zhì)不同來(lái)解釋別類物體不能“感動(dòng)”的原因。
對(duì)于“雷電”現(xiàn)象：“夫雷之發(fā)動(dòng)，一氣一聲也�！奔床贿^(guò)是一種氣和一種聲而已。那么，為什么會(huì)有聲呢？他以“人傷于寒，寒氣入腹，腹中素溫，溫寒分爭(zhēng)，激氣雷鳴。”為喻，認(rèn)為是不同的氣相互激發(fā)出來(lái)的�？梢�，王充認(rèn)識(shí)到雷電也是物質(zhì)的，也是自然界的一種變化現(xiàn)象。
四、運(yùn)用力學(xué)原理的創(chuàng)造發(fā)明——渾天儀與地動(dòng)儀
漏水運(yùn)轉(zhuǎn)渾天儀和候風(fēng)地動(dòng)儀，是東漢張衡（公元78—139年）根據(jù)物理的力學(xué)原理先后制成的。它們分別在天象和地震觀察上發(fā)揮了作用。漏水運(yùn)轉(zhuǎn)渾天儀是一臺(tái)自動(dòng)測(cè)示天象的儀器，它以一空心銅球表示天球，天球畫有星座和黃道、赤道，緊附在天球外的有地平環(huán)和子午環(huán)等，天球可以支架在子午環(huán)上繞天軸轉(zhuǎn)動(dòng)。另外把計(jì)量時(shí)間的漏壺與渾象聯(lián)系起來(lái)，即利用漏壺的等時(shí)性，以漏壺漏出的水為原動(dòng)力，再通過(guò)渾象內(nèi)部裝置的齒輪等使傳動(dòng)和控制設(shè)備，以使渾象每日均勻地繞天軸旋一周從而達(dá)到自動(dòng)地、近似正確地演示天象的目的。候風(fēng)地動(dòng)儀以精鋼制成，形似酒尊，里面均勻排列八根“都柱”——上粗下細(xì)的立柱。由于都柱重心高，當(dāng)?shù)孛嬉挥姓饎?dòng)，就極容易向震動(dòng)方向倒下。尊外相應(yīng)地設(shè)置八條口含小銅球的龍，每個(gè)龍頭下面都有一只蟾蜍，昂首張口。當(dāng)某一都柱倒下時(shí)，就帶動(dòng)了連接的龍，使龍口張開，所含的銅球落下到其下面的蟾蜍口中。因此觀察落下的銅球的方位，就可判斷地震發(fā)生的方向。
五、《夢(mèng)溪筆談》
《夢(mèng)溪筆談》是北宋中期的政治家和科學(xué)家沈括（1031—1195）所著，這是中國(guó)科學(xué)史上一部重要的著作，英國(guó)科技史家李約瑟把它稱為“中國(guó)科技史上的座標(biāo)”。
《夢(mèng)溪筆談》這一舉世聞名的科學(xué)巨著，內(nèi)容涉及領(lǐng)域十分廣闊（《夢(mèng)溪筆談》書頁(yè)見插頁(yè)圖6）。在物理知識(shí)方面，主要是生動(dòng)地記述了磁學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)知識(shí)。
1.磁學(xué)方面
早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)發(fā)現(xiàn)磁石具有吸鐵和指南的性質(zhì)。到北宋的沈括，他對(duì)指南針的使用作了多種試驗(yàn)。例如，他作了把指南針設(shè)法放在水面上（水浮法），碗邊上（碗唇法），手指甲上和把指南針懸掛起來(lái)等試驗(yàn)，并且進(jìn)行比較，指出了它們各自的特點(diǎn)，這可以說(shuō)是世界上關(guān)于指南針的最早實(shí)驗(yàn)記錄。同時(shí)其實(shí)驗(yàn)方法也十分巧妙。例如，他是如何把指南針懸掛起來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的呢？“其法取新紆中獨(dú)繭絲，以芥子許蠟綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南”。（《夢(mèng)溪筆談》卷24）這種指南針的實(shí)驗(yàn)方法在今天看來(lái)，仍不失為是值得仿效的較好方法。
更可欽佩的是，《夢(mèng)溪筆談》上還指出了“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也�！闭f(shuō)明沈括在實(shí)驗(yàn)中已發(fā)現(xiàn)了磁偏角。西方一般認(rèn)為哥倫布在1492年遠(yuǎn)渡大西洋時(shí)首先觀測(cè)到磁偏角，實(shí)際上沈括的發(fā)現(xiàn)要比哥倫布早400多年。
2.光學(xué)方面
在《夢(mèng)溪筆談》中，有許多光學(xué)方面的觀察和實(shí)驗(yàn)的記錄及其分析。如對(duì)日蝕、月蝕的成因作了理論總結(jié)，并第一次用類比演示實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證月亮圓缺的科學(xué)道理。其中說(shuō)：“如一彈丸，以粉涂其半，側(cè)視之，則粉處如鉤，對(duì)視之，則正圓�！保ā秹�(mèng)溪筆談》卷七）在該書中還除了通俗地講凹面鏡成像和針孔成像的道理，對(duì)光的直線傳播、光的折射現(xiàn)象和虹的形成進(jìn)行了研究和解釋以外，還曾認(rèn)真地作過(guò)凹面鏡成像的實(shí)驗(yàn)，得到了較《墨經(jīng)》前進(jìn)一步的結(jié)果。如：“陽(yáng)燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠(yuǎn)則無(wú)所見，過(guò)此遂倒�！保ā秹�(mèng)溪筆談》卷三）這里所謂“過(guò)此”的“此”，指凹面鏡的焦點(diǎn)和中心之間的這段距離，沈括又稱之為“礙”。這就明確地指出了物在凹面鏡焦點(diǎn)之內(nèi)時(shí)得正像，在焦點(diǎn)和中心之間看不到像，而在中心之外時(shí)得倒像。
《夢(mèng)溪筆談》中還對(duì)我國(guó)的一種古銅鏡——透光鏡的透光原理，也作了精辟的解釋。透光鏡可能在西漢時(shí)代已能制作，最早記載于隋唐之際王度的《古鏡記》中，該書說(shuō)透光鏡“承日照之，則背上文、畫、墨入影內(nèi)，纖毫無(wú)失”。對(duì)于這種現(xiàn)象歷來(lái)引起人們的注意，沈括對(duì)它的制造工藝和原理作了探討，他說(shuō)：“此為鑄時(shí)薄處先冷，唯背文差厚，后冷而銅縮多，文雖在背，而鏡面隱然有跡，所以于光中現(xiàn)�！保ā秹�(mèng)溪筆談》卷十九）這個(gè)解釋表明，由于鏡背圖案花紋，致使整個(gè)鏡子厚薄不勻，因此在鑄造時(shí)厚薄不同，冷卻有先后，后冷而銅縮多，造成鏡面也有和背面圖案相同的微小的凹凸花紋，在它反射光線時(shí)就顯現(xiàn)出來(lái)了。一句話，就是鏡面的銘文是由于銅的收縮有差別所造成的。
據(jù)近來(lái)的中外研究，冷卻法和磨刮法均可得到透光鏡的效果，但從制鏡的技術(shù)上看，較一致的看法，是認(rèn)為利用磨刮的方法而成的。
3.聲學(xué)方面
《夢(mèng)溪筆談》中闡述的聲學(xué)知識(shí)，包括關(guān)于樂律，古樂鐘的發(fā)聲，古琴的制作和傳聲、共鳴等等，并記載了一個(gè)作者精心設(shè)計(jì)的共振實(shí)驗(yàn)。由于弦振動(dòng)比較微弱，不易觀察，他剪了一些紙人放在弦上來(lái)作試驗(yàn)。他寫道：“琴瑟皆有應(yīng)聲：宮弦則應(yīng)少宮，商弦則應(yīng)少商，
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