BetVictor Sports(伟德体育)国际官网中国古代的物理知识

2024-12-15 14:40:19

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　　《墨经》中对时间和空间概念分别作了正确的定义。如“久，弥异时也”。“宇，弥异所也”。就是说，时间是不同时候的通称。空间是包括各个方面的一切地点。并区分了时间和时刻的概念，如“始，当时也。”“时，或有久，或无久。始，当无久。”就是说，时间可分为“持续(有久)的”和“非持续(无久)的”，即瞬时的两种。“开始”则属于“无久”的瞬时的那一种。墨家又把机械运动定义为“动，或(域)徒也”。意思是说，运动乃是物体空间位置的变动。

　　《墨经》中对力的概念提出了初步的论述。“力，刑(形)之所以奋也。”即是说，力是使物体开始运动或加快运动的原因。《墨经》中还进一步把重量与力联系了起来，“力，重之谓。下与(举)，重，奋也”。显然它指出了物体的重量也是一种力。并说明物体下落或向上举时，都有力的作用。墨家以桔槔和秤的工作原理为例，总结了杠杆的工作原理，提出了“本(重臂)”、“标(力臂)”、“权”、“重”等概念，论述了等臂杠杆和不等臂杠杆的平衡条件，并指出“挈，长重者下，轻短者上。”即杠杆的平衡，不但取决于两物的重量，还与“本”、“标”的长短有关。可见墨家已知道了可以用两种方法来调节杠杆的平衡，并已进行了杠杆原理的探讨。

　　《墨经》从早就被人们认识的光的直线传播原理出发，首先提出了影与光、物之间的关系。如“景不徙，说在改为。”就是说影是不动的，为什么有时看到影在移动呢?这是由于光源(或物体)移动而使影改变位置的缘故。接着对本影和半影及影子的大小跟光源、物体的关系等等作了论述，如“景二，说在重。”“景之大小，说在迆正、远近。”这两句分别是说，两种阴影区之所以形成，是由于两个光源的光线照射到同一物体上，在物体后面产生的两个阴影区互相重叠的结果。同一物体之影所以会有时大有时小，是由于光线照射于该物体有时斜、有时正，以及光源离物体有时远、有时近的缘故。又如“景倒，在午有端，与景长，说在端”，指出了小孔成像之所以倒立，是由于光线在小孔处交叉，至于像的长短，则与小孔的位置有关。并进一步说“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。在远近有端与于光，故景库内也。”具体解释了小孔成像的原因。

　　《墨经》还介绍了平面镜成像，叙述了凹面镜、凸面镜成像的规律，如“低，景一小而易，一大而正，说在中之内外。”即凹面镜可以生成一个倒立缩小的实像，或一个正立放大的虚像，原因是由于人在球面中心和焦点之外还是之内。又如“团，景一。”即物体不管离凸面镜的距离远近如何，凸面镜只可以生成一个正立缩小的虚像。可见，墨家私学不仅相当系统地研究和传授了几何光学方面的知识，得出了精辟的见解和结论，而且在研究和传授中已运用了观察、分析和科学实验的方法。

　　《考工记轮人篇》在论述车轮制造时，以受力、运动和不同接触地面的影响等因素出发，在讲到轮子的形状与运动快慢之间的关系时说：“凡察车之道不微至，无以为速也”。“微至”是指轮和地面的接触面积少。就是说，车轮与地面接触少，就容易转得快。那么，怎样才能达到“微至”呢?它接着指出：“欲其微至也，无所取之，取之圜(圆)。”即要尽量把轮子做成理想圆。这是在实践中对滚动物体的滚动速度与滚动物体的接触面积大小有关的经验总结，是符合近代摩擦理论的。在论述如何检验轮子各部分是否做得均匀时，它说：“楺辐必齐，平沈(沉)必均。”“水之以眡(视)其平沈之均也。”这里水之，即浸入水中，如果“平沈”即浮沉相同，则轮子各部分必定是均匀的，就符合制作轮子的要求了。这是浮力原理在制造轮子中的应用。在论述到轮子大小对拉力(牛或马)的影响时，它说：轮太矮，马就老在上坡一样。从现在力学知识看，当轮太低时，辕与地面成一角度，马除了要克服运动阻力外，要承受部分重力，因此马总象上坡一样费劲。这是实践中对斜面受力的一种极好的分析。

　　《考工记》还分析了与弹道有关的技术。它在《矢人篇》中说：“水之以辩其阴阳，以设其比，夹其比以设其羽，参分其羽，以设其刃，则虽有疾风，亦弗之能惮矣。”这就是说，为了要使箭在飞行中保持稳定，采取了把箭上的羽毛按一定比例对称地安排，然后加上箭头，则在飞行中就不怕风的影响了。接着又说：“前弱则俛(俯)，后弱则翔(仰)，中弱则纡(纡絗旋转之意)，中强则扬。”“羽丰则迟，羽杀则。”这说明了箭杆如果前轻后重，或前重后轻，都会影响飞行的高度;中间轻重配置不当，会影响飞行的稳定性;羽毛太多，则飞行速度慢。而羽毛太少，则箭容易落向旁侧，射不到目的物。

　　《考工记》中论述的热学知识，是很有实际意义的。它说：“凡铸金之状，金(铜)与锡，黑浊之气竭，黄白次之，黄白之气竭，青白次之，青白之气竭，青气次之。然后可铸也。”指出了冶炼金属时加热后先呈暗红色，温度渐高，依次是呈橙色、黄色、白色、最后是青色。这是因为金属里含有碳、钠一类的杂质，不同物质有不同的汽化点，所以可以根据汽化物质的颜色作为判断火候或温度高低的标准，最后达到“炉火纯青”，就可以浇铸了。这个从实践中总结出来的区别冶炼金属程度的实际知识，传至今日，仍为冶炼工人所利用。

　　王充在对物体的运动进行了仔细观察的基础上，在《论衡》中指出了人的视觉，在观察物体的运动快慢时会造成错觉的原因和如何量度物体运动的快慢。他在《论衡》中说：“天行已疾，人去高远，视之若迟。盖望远物者，动若不动，行若不行;何以验之?乘船江海之中，顺风而驱，近岸则行疾，远岸则行迟，船行一实也，或疾或迟，远近之视使之然也。”说明是由于观察者离运动物体远近不同，因而感到它的快慢也就不同了的道理。这也说明王充已知道了视角差对于观察物体运动快慢的影响。在关于运动的快慢上，又说“日昼行千里，夜行千里，麒麟昼日亦行千里，然则日行舒疾与麒麟之步相类似也。”意思是太阳和麒麟在日间运动的快慢相比是一样的，说明已有了现代物理学中“速率”概念之萌芽。

　　在《论衡》中有：“生人所以言语呼吁者，气括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故能成言。譬犹吹萧笙，萧笙折破，气越不括，手无所弄，则不音。夫箫之管犹人之口吞也，手弄其孔犹人之动吞也。”又说：“令人操行变气远近，宜与鱼等，气应而变，宜与水均。”可见他已认识到人发声是使空气振动而产生的，并将声音在空气中的传播用可见的水波的传播来作了比喻。这种比喻，在今天的物理教学中，在讲光的干涉和衍射时，不是仍然在运用吗?在这里，还应特别予以注意的是王充实际上已指出了振动的传播要通过媒质。

　　《论衡》中有“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则?气之所加，远近有差也。”“云雾，雨之征也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪，雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”这些论述可以说明，王充不仅用“气”来解释热现象，指出热传递与距离远近的关系，而且对自然界中雨、露、霜、雪的成因也进行了研究，指出了它们都是地面上的水蒸发所致，所以实质上他已进入了物态与温度之间的关系的研究。可见，王充对热现象的观察和分析是十分细致深入的，这种运用观察、分析的方法对现在的物理教学和科学研究，都有指导意义。

　　关于摩擦起电的现象，西周末年已有“玳瑁吸褡”的记载。(玳瑁是一种跟龟极相似的海生爬行动物，产于中国沿海地区，它的甲壳黄褐色，光滑、有黑斑，是一种绝缘体，故摩擦能生电)。在《论衡》中，对这现象作了进一步的解释：“顿牟拾芥，磁石引针，皆以其真，不假他类，他类肖似，不能掇取者，何也?气性异殊，不能相感动也。”这里顿牟即玳瑁，王充用气性相同，也就是性质相同来解释上述相互吸引的现象，和气性不同，即性质不同来解释别类物体不能“感动”的原因。

　　漏水运转浑天仪和候风地动仪，是东汉张衡(公元78139年)根据物理的力学原理先后制成的。它们分别在天象和地震观察上发挥了作用。漏水运转浑天仪是一台自动测示天象的仪器，它以一空心铜球表示天球，天球画有星座和黄道、赤道，紧附在天球外的有地平环和子午环等，天球可以支架在子午环上绕天轴转动。另外把计量时间的漏壶与浑象联系起来，即利用漏壶的等时性，以漏壶漏出的水为原动力，再通过浑象内部装置的齿轮等使传动和控制设备，以使浑象每日均匀地绕天轴旋一周从而达到自动地、近似正确地演示天象的目的。候风地动仪以精钢制成，形似酒尊，里面均匀排列八根“都柱”上粗下细的立柱。由于都柱重心高，当地面一有震动，就极容易向震动方向倒下。尊外相应地设置八条口含小铜球的龙，每个龙头下面都有一只蟾蜍，昂首张口。当某一都柱倒下时，就带动了连接的龙，使龙口张开，所含的铜球落下到其下面的蟾蜍口中。因此观察落下的铜球的方位，就可判断地震发生的方向。

　　早在春秋战国时期，我国发现磁石具有吸铁和指南的性质。到北宋的沈括，他对指南针的使用作了多种试验。例如，他作了把指南针设法放在水面上(水浮法)，碗边上(碗唇法)，手指甲上和把指南针悬挂起来等试验，并且进行比较，指出了它们各自的特点，这可以说是世界上关于指南针的最早实验记录。同时其实验方法也十分巧妙。例如，他是如何把指南针悬挂起来进行实验的呢?“其法取新纡中独茧丝，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南”。这种指南针的实验方法在今天看来，仍不失为是值得仿效的较好方法。

　　在《梦溪笔谈》中，有许多光学方面的观察和实验的记录及其分析。如对日蚀、月蚀的成因作了理论总结，并第一次用类比演示实验来验证月亮圆缺的科学道理。其中说：“如一弹丸，以粉涂其半，侧视之，则粉处如钩，对视之，则正圆。”在该书中还除了通俗地讲凹面镜成像和针孔成像的道理，对光的直线传播、光的折射现象和虹的形成进行了研究和解释以外，还曾认真地作过凹面镜成像的实验，得到了较《墨经》前进一步的结果。如：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”这里所谓“过此”的“此”，指凹面镜的焦点和中心之间的这段距离，沈括又称之为“碍”。这就明确地指出了物在凹面镜焦点之内时得正像，在焦点和中心之间看不到像，而在中心之外时得倒像。

　　《梦溪笔谈》中还对我国的一种古铜镜透光镜的透光原理，也作了精辟的解释。透光镜可能在西汉时代已能制作，最早记载于隋唐之际王度的《古镜记》中，该书说透光镜“承日照之，则背上文、画、墨入影内，纤毫无失”。对于这种现象历来引起人们的注意，沈括对它的制造工艺和原理作了探讨，他说：“此为铸时薄处先冷，唯背文差厚，后冷而铜缩多，文虽在背，而镜面隐然有迹，所以于光中现。”这个解释表明，由于镜背图案花纹，致使整个镜子厚薄不匀，因此在铸造时厚薄不同，冷却有先后，后冷而铜缩多，造成镜面也有和背面图案相同的微小的凹凸花纹，在它反射光线时就显现出来了。一句话，就是镜面的铭文是由于铜的收缩有差别所造成的。

　　《梦溪笔谈》中阐述的声学知识，包括关于乐律，古乐钟的发声，古琴的制作和传声、共鸣等等，并记载了一个作者精心设计的共振实验。由于弦振动比较微弱，不易观察，他剪了一些纸人放在弦上来做试验。他写道：“琴瑟皆有应声：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。欲知此应者，先调弦令和声，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。”这比英国人诺布尔和皮戈特使用类似的方法来演示共振现象要早约6个世纪。还值得指出的是，沈括的这个用简单的仪器来证明弦线的基音与泛音共振关系的实验，形象十分生动，若用于教学，更会引起学生学习物理的兴趣。

　　为了证明这个结论，赵友钦设计了一个完备的实验(赵友钦实验图见插页图7)。他把一个二层楼房作为实验室，在楼下的两间房子的地面上各挖一个直径约1.33米(四尺)的圆井，右边井深约1.33米(四尺)，左边井深约2.66米(八尺)，在左边井里放一只约1.33米(四尺)高的桌子，在左井桌上和右井井底各放一块密插1000多支蜡烛的圆板，作为光源，把它们看作太阳或月亮。在楼板上各有一小方孔，左边的孔宽约3.3厘米(一寸)，右边的孔宽约1.65厘米(半寸)。他的这些设计都是有道理的。例如他用相邻两个房间而楼板开孔不同，就是为了对比;他把作为光源的蜡烛放在井内，就可以使烛焰比较稳定;井开得相当大，就可以放得下1000多支烛;楼板上孔是较小的方形，可以看到出现的像是圆形，证明像的形状与小孔的形状无关，只是孔较大的较明亮，孔较小的较暗淡。但光源的形状如果改变，像的形状也要改变，例如，熄灭一半蜡烛，光源变为一半圆形时，像也缺了一半，烛盘缺左半，像缺右半;烛盘缺右半，像缺左半，证明小孔成的像是倒像。如果撤去左井内小桌，把烛盘放在井底，也就是增大了光源与小孔的距离(物距)，则天花板上的像就缩小，而亮度却增加了。这种实验设计可以说是考虑得很周密的。

　　近代乐器上用的新律制十二平均律，是明代乐律理论家朱载堉(公元15361610)提出和创造的。在我国，早在周初，就有了在一个音阶中确定的十二个律，并在十二律中选取五个或七个音组成一个音阶的乐制。大约在春秋战国时期，我国开始使用定律调音的三分损益法，来确定管或弦的长短和发音高低之间的关系(见《管子地员篇》)。这种方法就是从一个被认定为基音的弦(或管)的长度出发，把它三等分，再去掉一份(“损一”)或加上一份(“益一”)，以此来确定另一个音的长度。在数学上，就是把发音的弦长乘以2/3或4/3，以此类推下去，直到在弦(或管)上得出比基音约高一倍或低一倍的音，就完成了一个音阶的计算。应用这种三分损益后完成一个音阶中各律的计算以后，比基音高(或低)8度的音只能的高(或低)一倍，而不能刚好一倍，这样就不能线度，为了消除这个差数，达到对音乐艺术更高的要求，自汉代以来，不少音律乐家提出过许多修正的方法，但都不能得到简单、合理而又精确的结果。朱栽堉于1584年以公比的等比级数分配音律，使一个音阶中任何两个相邻音律之间的公比都是，或音程为100音分，从而彻底消除了三分损益法出现的差数。朱栽堉的这种科学地运用声学效应的革命性变革，极有利于曲调的创作和乐器的制作，具有很高的科学性和实用价值。

　　我国古代在寻求物质组成的规律时，也曾反映了朴素的物质不连续性和物质最小单位不可分割的思想。例如《墨经》中说：“端，体之无厚而最前者 也”，“端，无间也”。即认为“端”是物的起始，把物体分割到“无厚”，便达到处于最前(即分割到最后)的质点。端是最基本的东西，最基本的东西是无间隙的。这可以说是原子论的萌芽。但是这种“原子论”的观点，后来没有得到多少发展。与此类似的是早在古希腊时代，西方就认为原子是物质结构的基本粒子。这种 观点经过了好几个发展阶段，到19世纪初，英国道尔顿建立了化学原子论，成功地解释了物质的各种变化，因而确定了原子论的地位。

　　宋代张载(10201077)在中国古代元气自然论的基础上，提出了“元气本体论”，他认为宇宙万物的本源是物质性的“气”，并进而引入了“聚”和“散”的概念，以说明客观世界不同物质形态的存在和它们的运动变化。张载在这方面最重要的著作是《正蒙》。在该书中他提出了“太虚即气”的观点。他说：“太虚无形，气之本体。其聚其散，变化之客形尔。”就是说，元气的聚合分散，都是暂时现象(客形)，而不是永久不变的。一切自然现象，变化无穷，都 可以用气来解释。所以“有无、隐显、神化、性命、通一无二。”他明确地指出了所有自然现象是物质的运动变化。并举例说：“气之聚散于太虚，犹冰之凝释于 水。”说明“知太虚即气，则无无”的道理。意思是说，如果知道了太虚即气，则气到处都存在，没有所谓“无”了。当然更不会有“无中生有”的唯心观点了。他又说：“动必有机，既谓之机，则动非自外也。”更一步指出了事物变化的原因在于事物的内部。

　　张载在阐述事物的运动变化时，又引进了事物对立统一的观念。他说：“两不立，则一不可见，一不可见，则两之用息。”这是因为任何一物总是有虚实、动静、聚散和清浊等相反的特性，从而造成了“循环迭至，聚散相荡，升降相求，絪温相楺，盖相兼相制，欲一之而不能。”(《正蒙参两》)由此可见，张载已认识到自然界中总存在正、反两个方面，一切自然变化，无非是正反两方面相互斗争、运动变化的结果。这里显然包含了物质转化思想的萌芽。

　　王夫之还从“元气本体论”出发，提出物转变而不灭的思想。在《正蒙注》中“散亦吾体，聚亦吾体。”意思就是气只有聚散，没有生灭，元气是永恒的。他举了三个明显的实例加以阐述：一个是“车薪”之火，一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木水者仍归水，土者仍归土，特细微而人不见尔。”二是“一甑之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归;若盖严密，则郁而不散。”三是“汞见火则飞，不知何往，而究归于地”。这就是说汞燃烧后，蒸汽散发，终究要落 到地上，不会消失。这些例子充分说明了“形”是可生可灭的，但“形”的生灭不过是“形”与“气”的相互转化而已。由此不难看出，王夫之已确立了自然界物质不可创造、不可消灭的守恒思想了。上述例子，在今天的物理教学中，仍有可用之处。

　　在中国古代“元气论”的发展过程中，应予特别指出的是：它从一开始就坚持了物质的统一性，并按从一般到个别的模式，去考察各种具体的规律和作用。这种从总体、辨证、综合和动态的观点，统一去观察世界的认识路线，在当前科学发展中具有新的意义;“元气论”中的“元气”，要聚而成“形”，而“形”这种不连续的物质，要散而为“气”。这种元气聚散、气形相互转换的思想，不仅较之古希腊的“原子论”所揭露和描绘的自然界的客观变化要丰富、深刻得多，而且其涉及到的连续和不连续的对立统一的物质观，也将在很大程度上影响今后物理学的研究。

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