伟德体育(BetVictor Sports)国际官网中国古代的物理知识

2024-11-26 21:09:18

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　　《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。

　　《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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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