有趣物理現(xiàn)象

1、1、小孔成像小孔成像是初中課本中一個重要的物理實驗,該實驗最早見于墨經(jīng):“景到,在午有端與景長,說在端?！薄熬?光之人,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,在遠近有端與于光,故景庫內(nèi)也?！币馑际?景像倒立,在于光線交錯處有一點狀小孔,同時,影像與物體有一定長度(距離。因為點狀小孔極小。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。由于在物體的遠處或近處有一點狀小孔和物體被光線直線所射,所以影

2、像倒立在窟孔里面的壁上。小孔成像實驗記載還有許多,北宋沈括在解釋“陽燧照物皆倒”時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)實驗室進行過專門研究。元代郭守敬發(fā)明的“仰儀”和“景符”也運用了小孔成像原理。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。2、懸鏡照鄰淮南萬畢術(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,人類就已注意到平靜湖面中的倒影(像。早在殷商時代,我國

3、就已有人利用靜止的盤水作為照像器具,這種器具叫“水鑒”,即后來所說的“水鏡”。在懸鏡照鄰實驗中,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)成實驗裝置潛望鏡。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。3、杯中顯“影”“徐州護戎陳皋供奉,行田間遇開墓者,得瑪瑙盂,圓凈無雕鏤紋,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

4、出余水,驗之魚不復(fù)見。復(fù)酌水滿中,須臾一魚泛然而起,以手取之,終無形體可拘。復(fù)不可知為何寶也。余視之?dāng)?shù)矣?！标P(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。”由此可知,關(guān)關(guān)贈余本明的酒杯不止一個,且每個酒杯裝酒后會顯示出不同圖象。顯然,杯中顯“影”并非偶然,它是人們對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,通過長期研究,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,在杯腳里以細彈簧(游絲裝上一個彩蝶,只要杯受微小干擾,彩蝶就能舞動。杯中無

5、酒時,彩蝶在凸透鏡焦點之外,造成與人眼同側(cè)的實像,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,足以使鯽“游泳可愛”。4、刻魚測雨漢代有一個奇特的物理實驗,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。實驗?zāi)康氖且贼~的鳴吼來預(yù)測天氣。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。漢世祭

6、之祈雨,往往有驗?！边@個實驗巧妙地運用了共振效應(yīng),效果相當(dāng)不錯。使那些不知原理的人。對石魚產(chǎn)生敬仰,并頂禮膜拜。我們清楚,風(fēng)暴時,強風(fēng)掠過海面會產(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海“吃”掉,唯有頻率很低的次聲波在傳播過程中能量損失慢、傳播距離遠。加之次聲波比風(fēng)浪速度快許多倍,它能成為風(fēng)暴來臨的警報。但次聲人耳無法分辨,如果能制造一種儀器,將次聲變?yōu)榭陕劼?那么這一裝置就成為一種風(fēng)暴報警器。石魚就是這樣一種裝置:它張口,腹空,當(dāng)次聲波不斷對它施以周期性外力時,石魚作受迫振動。若聲波的策動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,

7、高頻部分為可聞聲。此時,石魚“髟耆尾該動”,其聲學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為大聲“鳴吼”。在中國古代,利用共振效應(yīng)預(yù)測天氣、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,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,同時地大震又天鼓鳴,鐘鼓自嗚”;“漢武帝時,未央宮前殿鐘無故自鳴,三日三夜不止。詔問太史,待詔王朔,朔言恐有兵氣?！笨梢?“刻魚測雨”實驗有其堅實的理論基礎(chǔ),這些理論是在不斷觀察、分析中總結(jié)出來的。我國漢代就有如此奇妙的實驗,這的確是炎黃子孫值得驕傲的事情。

8、5、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,取長數(shù)丈細線穿過之,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,屬耳者聽之了了,他人不聞也?！边@是一個證明固體也能傳聲的實驗。此實驗在現(xiàn)行初中物理課本也能找到。實驗中的裝置,叫“傳聲筒”,今稱“土電話”。很明顯,當(dāng)有人對著細線一端的竹筒(發(fā)話筒講話時,空氣發(fā)生振動,它推動皮紙與細線振動。此時,細線另一端的皮紙也跟著振動,這樣皮紙又帶動竹筒(受話筒內(nèi)空氣振動,把聲音傳給受話的一方。這里,話筒起著“共鳴”箱的作用。在中國古代,常常有人通過挖掘地道的方法向城內(nèi)發(fā)起進攻,為了判辨敵

9、方是否采用這一手段,就得使人偵察。墨經(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?！弊屑毞治?上述“傳聲筒”與墨經(jīng)中的“聽甕”相似?？梢哉J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”裝置說成是電話的始祖,應(yīng)當(dāng)是可以使人接受的。6、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,鑄在鏡子背面的銘文圖案,還會“透”過鏡子映現(xiàn)在屋壁上,非常清楚。這種鏡子叫“透光鏡”,現(xiàn)已作為演示實驗儀器將它搬上講臺。透光鏡始于西漢

10、。它與編鐘、魚洗一起,被稱為中國古代青銅三寶。用透光鏡進行實驗演示,最早的文字記載見于隋唐的古鏡記,因文字較長,不作敘述?，F(xiàn)摘北宋沈括的實驗記錄如下:“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:“人有原其理,以為鑄時薄處先冷,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,鏡面會有肉眼不易覺察的與鏡背銘文相對應(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,鏡背的花紋凹凸處凝固收縮,產(chǎn)生鑄造應(yīng)力,加之鏡面在研磨時產(chǎn)生壓應(yīng)力,造成彈性形變。當(dāng)鏡面研

11、磨到一定的程度時,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、云煙過眼錄、元代的間居錄、清代的銅仙傳、鏡鏡言令癡、前塵夢影錄、淵鑒類函等等均有涉及。7、空中飛蝶張岱在夜航船中指出:“竹內(nèi)膜純陰,將酥涂其上,見太陽即飛,名飛蝴蝶?！边@是一個什么實驗?筆者不敢肯定。從字面上看,它好像是一個實驗裝置經(jīng)過改進的“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,使竹膜像一個吹足空氣的氣球。然后把竹膜放在太陽下加熱,竹膜球內(nèi)部空氣受熱膨脹,當(dāng)球內(nèi)空氣壓力較大時,空

12、氣從酥油粘合處沖開一個缺口,這樣氣體對竹膜球產(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?！睂嶒灡容^,竹膜球的體積可以做得很大但重量極輕,這會使實驗更易成功。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,但卻會使實驗變得更有趣。實驗的設(shè)計思想,的確令人佩服。8、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

13、就能吐出水泡,泡滅水滴落入研盤,過一會又吐水泡,如此反復(fù),直到蜍腹中的水吐完。這是一個利用毛細管引水入研的有趣實驗。我們清楚,水能潤濕銅,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,毛細管內(nèi)徑越細,管內(nèi)液柱越高。因此,用毛細管能達到引水目的。有趣的是,上述實驗中毛細管可能就設(shè)在人眼無法看見的研滴壁中,毛細管內(nèi)壁較粗糙,水從蜍腹底部潤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,水滴入研盤中。9、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。

14、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,而紙的著火點是183,用煤爐燒紙,紙會燃為灰燼。但用紙銚煎茶,情況就不一樣了。爐火燃燒時,銚子內(nèi)的水會不斷吸熱,使紙冷卻。由于水的沸點是100。水會在這個溫度下變?yōu)檎魵鈱⒍嘤嗟臒釒ё?所以沸水溫度不會超過100,這個溫度低于紙的著火點,只要銚子里的水不干,同時注意銚子水面以上不接觸火焰,紙就不會燃燒。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,實驗就容易獲得成功。初中物理課本中的“紙鍋燒水”實驗,可能就是從“紙

15、銚煎荼”演變過來的,而“紙鍋燒水”更具有說服力和驚險性。10、迎風(fēng)轉(zhuǎn)秫帝京景物略云:“剖秫秸二寸,錯互貼方紙,其兩端各紅綠,中孔,以細竹橫安秫竿上,迎風(fēng)張而疾趨,則轉(zhuǎn)如輪,紅綠渾渾如暈?！边@是一個利用風(fēng)能去推動秫秸轉(zhuǎn)動的實驗,實驗演示了顏色合成。儀器制作與實驗過程大體如此:將去掉穗的高粱桿截成若干段,每段長二寸,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,用細竹一端穿過小孔作為轉(zhuǎn)軸,手持細竹另一端逆風(fēng)行走,紙片張開,高粱桿快速轉(zhuǎn)動,狀如飛輪。此時,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)。本實驗中的“儀器”,人們

16、稱它為“風(fēng)車”,是一種兒童玩具。這種“儀器”,在中國古代統(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,以啟迪思維,激發(fā)智力。11、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。”這是一個滑翔飛行實驗: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,翅膀的上面往往向上凸起,下面平直或略微凹進。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,空氣就相

17、對“翅膀”向后移動。因“翅膀”上凸下平,流過“翅膀”上面的空氣,需要繞一個彎,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,壓強小,“翅膀”下面空氣流速慢,壓強大,使“翅膀”上下產(chǎn)生壓強差。這個壓強差,會產(chǎn)生一股把“翅膀”向上托起的升力,這個升力可把物體托向空中。這個實驗,是人類第一次進行滑翔飛行的實驗。它驚險,有趣,盡管可能不會成功,但試驗者需承擔(dān)較大風(fēng)險。由此可見,我們的祖先何等聰明和勇敢。12、水中浮丹宋代洪邁在夷堅志中介紹:“宣和中,蔡魯公閉居京師,有方士持陰陽丹一兩許,如彈子大,色正紅,以獻之。置之水中,隨十二時上下,六陽時則浮上,六陰時則沉。仍各準(zhǔn)其方位,不差晷刻?！标庩柕さ慕M成成份是什么,洪邁沒有說明。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沉浮,實驗一絲不茍。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?！备裎锎终勚械摹案∷鸬ぁ笔怯谜聊X、銀珠搗成的。此外,北夢瑣言還記載了一個盆中游魚的實驗:“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,陰陽丹在水中的運動很像潛水艇的沉浮。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,丹會下沉,當(dāng)?shù)さ谋戎匦∮谝后w比重時,丹則上浮。樟腦丸為什