中國(guó)古代物理知識(shí)的代表作

中國(guó)古代物理學(xué)問的代表作內(nèi)容及其運(yùn)用物理學(xué)問的典型事例，作一扼要的介紹?！赌?jīng)》是墨家學(xué)派的著作，也是他們進(jìn)展私學(xué)教育的教材的內(nèi)容，主要是在力學(xué)和光學(xué)方面。力學(xué)方面“久，彌異時(shí)也”?！坝?，彌異所也”。就是說，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?！薄啊本褪钦f，時(shí)間可分為“持續(xù)〔有久〕的”和“非持續(xù)〔無久〕的”，即瞬時(shí)的兩種?！伴_頭”則屬于“無久”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〕”。意思是說，運(yùn)動(dòng)乃是物體空間位置的變動(dòng)?！赌?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，力是使物體開頭運(yùn)動(dòng)或加快運(yùn)動(dòng)的緣由“力，重之謂。下與〔舉。明顯它指出了物體的重量也是一種力。并說明物體下落或向“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?！薄氨尽?、“標(biāo)”理的探討。墨家還表達(dá)了斜面上的物體失去平衡的道理，以及利用斜面來提升重物的方法。他們“車梯”節(jié)約人力。光學(xué)方面《墨經(jīng)》從早為人們生疏的光的直線傳播原理動(dòng)身，首先提出了影與光、物之間的關(guān)系。如“”就是說影是不動(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)而使影轉(zhuǎn)變位置的原因。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，說在重。”“景之大小，說在迆正、遠(yuǎn)近。”這兩句分別是說，斜、有時(shí)正，以及光源離物體有時(shí)遠(yuǎn)、有時(shí)近的原因。又如“景倒，在午有端，與景長(zhǎng)，說在端”，指出了小孔成像之所以倒立，是由于光線在小孔處穿插，至于像的長(zhǎng)短，則于小孔的位置有關(guān)。并進(jìn)一步說“光之人照假設(shè)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?！本唧w解釋了小孔成像的緣由?！暗?，景一小而易，一大而正，說在中之內(nèi)外?！奔窗济骁R可以生成一個(gè)倒立縮小的實(shí)像，或一個(gè)正立放大“”即物體不管離凸運(yùn)用了觀看、分析和科學(xué)試驗(yàn)的方法。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?！犊脊び洝肥谴呵飸?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)標(biāo)準(zhǔn)中主要是力學(xué)和熱學(xué)方面?！ぽ喨似吩谡撌鲕囕喼圃鞎r(shí)，以受力、運(yùn)動(dòng)和不同接觸地面的影“凡察車之道……不微至，無以為速也”?！拔⒅痢笔侵篙喓偷孛娴慕佑|面積少。就是說，車輪與地面接觸少，就簡(jiǎn)潔轉(zhuǎn)得“微至”呢？它接著指出：“〔圓”即有關(guān)的閱歷總結(jié)，是符合近代摩擦理論的。在論述如何檢驗(yàn)輪子各局部是否做得均勻時(shí)，它說：“楺輻必齊，平沈〔沉〕”“水之以眡〔視〕其平沈之均也?！边@里水之，即浸入水中，假設(shè)“平沈”即浮沉一樣，則輪子各局部必定是均勻的，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〔牛或馬〕的影響時(shí)，它說：輪太矮，馬就老在上坡一樣。從現(xiàn)在力學(xué)學(xué)問看，當(dāng)輪太低時(shí)，轅與地面成一角度，馬除了要抑制極好的分析。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”這就是說，為了要使箭在飛行中保持穩(wěn)定〔俯〔仰〔紆絗旋轉(zhuǎn)之意”“”而羽毛太少，則箭簡(jiǎn)潔落向旁側(cè)，射不到目的物。勸登馬力，馬力既竭，辀尤能一取焉”。意思是說，馬拉車的時(shí)候，馬已停頓用力了，但車還能前進(jìn)一段路程，這里指出了物體的一種根本屬性——慣性，這也是世界上對(duì)慣性現(xiàn)象的最早論述。熱學(xué)方面凡鑄金之狀，金〔銅〕與”“爐火純青”，就可以澆鑄了。這個(gè)從實(shí)踐中總結(jié)出來的區(qū)分冶煉金屬程度的實(shí)際學(xué)問，傳至今日，仍為冶煉工人所利用?！墩摵狻肥菛|漢王充所著，內(nèi)容格外豐富，其所述的物理學(xué)問，也較之《墨經(jīng)》有格外明顯的充實(shí)和進(jìn)展。力學(xué)方面王充在對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)展了認(rèn)真觀看的根底上，在《論衡》中指出了人的視覺，在觀“天行已疾，人去高遠(yuǎn)，視之假設(shè)遲。蓋望遠(yuǎn)物者，動(dòng)假設(shè)不動(dòng)，行假設(shè)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?！薄叭諘冃星Ю?，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。”意思是太陽(yáng)和麒麟在日間運(yùn)動(dòng)的快慢相比是一樣的，說明已有了現(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：“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“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?！泵黠@已不僅知道在外力的作用下，假設(shè)外力大小肯定，則物體越重，要芽，而且還生疏到內(nèi)力不能轉(zhuǎn)變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這一事實(shí)。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：“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焉璧饺税l(fā)聲是使空氣振動(dòng)而產(chǎn)生的在這里，還應(yīng)特別予以留意的是王充實(shí)際上已指出了振動(dòng)的傳播要通過媒質(zhì)。熱學(xué)方面“”“云霧，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。”這些論述可以說明，王充不僅用“氣”來解釋熱現(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)展了爭(zhēng)論，指出了它們都是地面上的水蒸發(fā)導(dǎo)意義。電磁方面“玳瑁吸褡”的記載〔玳瑁是一種跟龜極相像的海生爬行動(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。”這里頓牟即玳瑁，解釋別類物體不能“感動(dòng)”的緣由。對(duì)于“雷電”現(xiàn)象：“”即不過是一種氣和一種聲而已。那么，為什么會(huì)有聲呢？他以“”為喻，認(rèn)現(xiàn)象。四、運(yùn)用力學(xué)原理的制造制造——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〕依據(jù)物理的力學(xué)原理先“都柱”——上粗下細(xì)的立柱。由于都龍，每個(gè)龍頭下面都有一只蟾蜍，仰頭張口。當(dāng)某一都柱倒下時(shí)，就帶動(dòng)了連接的龍，使龍發(fā)生的方向。《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》書頁(yè)見插頁(yè)圖6。在物理學(xué)問方面，主要是生動(dòng)地記述了磁學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)學(xué)問。磁學(xué)方面早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)覺察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等試驗(yàn)，并且進(jìn)展比較，指出了它們各自的特點(diǎn)，這可指南針懸掛起來進(jìn)展試驗(yàn)的呢？“則針常指南”《夢(mèng)溪筆談》卷24〕這種指南針的試驗(yàn)方法在今日看來，仍不失為是值得仿效的較好方法。更可鄙視的是“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，”1492年遠(yuǎn)渡大西洋時(shí)首先觀測(cè)到磁偏角，實(shí)際上沈括的覺察要比哥倫布早400多年。光學(xué)方面在《夢(mèng)溪筆談》中，有很多光學(xué)方面的觀看和試驗(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試驗(yàn)來驗(yàn)證月亮圓缺的科學(xué)道理。其中說：“如《夢(mèng)溪筆談》卷七〕在該《夢(mèng)溪筆談》卷三〕這里所謂“過此”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”中心之外時(shí)得倒像?！秹?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?！啊?。對(duì)于這種現(xiàn)象歷來引起人們的留意，沈括對(duì)它的制造工藝和原理作了探討，他說：“此為鑄時(shí)薄處先冷，唯背文差厚，后冷而銅縮《夢(mèng)溪筆談》卷十九〕這個(gè)解釋說明，銅縮多，造成鏡面也有和反面圖案一樣的微小的凹凸花紋，在它反射光線時(shí)就顯現(xiàn)出來了。一句話，就是鏡面的銘文是由于銅的收縮有差異所造成的。據(jù)近來的中外爭(zhēng)論，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，較全都的看法，是認(rèn)為利用磨刮的方法而成的。聲學(xué)方面《夢(mèng)溪筆談》中闡述的聲學(xué)學(xué)問，包括關(guān)于樂律，古樂鐘的發(fā)聲了一些紙人放在弦上來作試驗(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，其余皆隔四相應(yīng)。今曲中有聲者，須依此用之。欲知此應(yīng)者，先調(diào)弦令和聲，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人躍，他弦即不動(dòng)。”這比英國(guó)人諾布爾和皮戈特使用類似的方法來演6泛音共振關(guān)系的試驗(yàn)，形象格外生動(dòng)，假設(shè)用于教學(xué)，更會(huì)引起學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。沈括除了上述把聲學(xué)學(xué)問廣泛應(yīng)用于樂器的調(diào)、制以外，他還用來科學(xué)地解釋生活中古法以牛皮為天服〔即箭袋，臥則為枕，取其中虛，附地振之，數(shù)里內(nèi)有人馬聲，則皆聞之，蓋虛能納聲也。”沈括的這種留意學(xué)問的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于我們今日進(jìn)展物理教育，也是值得借鑒的。《草象書》是我國(guó)古代突出的試驗(yàn)物理學(xué)家趙友欽〔1279—1368〕所著。他在書中成像的規(guī)律。從試驗(yàn)知道，光通過小孔時(shí)，不管孔的外形如何，屏上得到的光斑總是發(fā)光物的像。象的解釋是“罅小則缺乏容日月之體，是以隨日、月之形而圓，及其缺則皆缺?！薄绑链蠖扇萑?、月之體也?！闭f明白小孔成像與孔的大小有關(guān)。為了證明這個(gè)結(jié)論，趙友欽設(shè)計(jì)了一個(gè)完備的試驗(yàn)。他把一個(gè)二層樓房作為試驗(yàn)室，在樓下的兩間房子的地面上各挖一個(gè)直徑約1.33〔四尺1.33〔四尺，左邊井深約2.66米〔八尺，在左邊井里放一只約1.33米〔四尺〕高的桌子，在左井桌1000多支蠟燭的圓板，作為光源，把它們看作太陽(yáng)或月亮。在樓板上各有一小方孔，左邊的孔寬約3.3厘米〔一寸，右邊的孔寬約1.65厘米〔半寸。他為光源的蠟燭放在井內(nèi)，就可以使?fàn)T焰比較穩(wěn)定；井開得相當(dāng)大，就可以放得下1000多支燭光源與小孔的距離〔物距，則天花板上的像就縮小，而亮度卻增加了。這種試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以說是考慮得很周密的。凡景近竅者狹，景遠(yuǎn)竅者廣；燭遠(yuǎn)竅者景亦狹，燭近竅者景亦廣。景廣則淡，景狹則濃。燭雖近而光衰者，景亦淡，燭雖遠(yuǎn)而光盛者，景亦濃。由是察之，燭也，光也，竅也，景也，四者消長(zhǎng)勝敗，皆所當(dāng)論者也。”趙友欽的這種正確科學(xué)論斷，西方直到16世紀(jì)末才由開普勒得出，比我國(guó)晚了300年。這里也應(yīng)指出的是，趙友欽在進(jìn)展上述小孔成像的爭(zhēng)論中，承受的那種試驗(yàn)步驟，即只轉(zhuǎn)變孔的大?。恢晦D(zhuǎn)變光源的外形；只轉(zhuǎn)變像距；只轉(zhuǎn)變物距；只轉(zhuǎn)變孔在物、像間的位的試驗(yàn)方法，至今仍為物理教學(xué)廣泛承受。七、聲學(xué)效應(yīng)在樂律上的運(yùn)用——十二平均律近代樂器上用的律制——十二平均律，是明代樂律理論家朱載堉(公元1536—1610)損益法，來確定管或弦的長(zhǎng)短和發(fā)音凹凸之間的關(guān)系〔見《管子·。這種方法就是從一個(gè)被認(rèn)定為基音的弦〔或管〕的長(zhǎng)度動(dòng)身，把它三等分，再去掉一份損一〕或加上2/3或4/，依此類推下去，直到在弦〔或管〕上得出比基音約高一倍或低一倍的音，就完成了一個(gè)音階的計(jì)算。應(yīng)用這種三分損益后完成一個(gè)音階中各律的計(jì)算以后，比基音高〔或低度的音只能的高〔或低〕8度，為了消退這個(gè)1584100音分，從而徹底地消退了三分損樂器的制作，具有很高的科學(xué)性和有用價(jià)值。十二平均律的提出，在我國(guó)物理學(xué)的爭(zhēng)論和音樂教學(xué)中，具有特別重要的意義，這就是從物理現(xiàn)象的定性爭(zhēng)論進(jìn)入定量的數(shù)學(xué)計(jì)算，這在我國(guó)古代物理學(xué)的爭(zhēng)論中是一項(xiàng)創(chuàng)舉，50年。因此，當(dāng)這項(xiàng)制造由傳教士傳入歐洲時(shí)，引起了整個(gè)世界的轟動(dòng)，并得到了德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲的高度評(píng)價(jià)。我國(guó)古代在尋求物質(zhì)組成的規(guī)律時(shí)，也曾反映了樸實(shí)的物質(zhì)不連續(xù)性和物質(zhì)最小單位不行分割的思想。例如《墨經(jīng)》中說：“端，體之無厚而最前者也”，“端，無間也”。即認(rèn)為“端”是物的起始，把物體分割到“無厚”，便達(dá)處處于最前〔即分割到最終〕的質(zhì)點(diǎn)。端是最“原子論”的觀19成功地解釋了物質(zhì)的各種變化，因而確定了原子論的地位。但是，我國(guó)古代哲學(xué)家，始終沒有放棄元?dú)獾挠^點(diǎn)，直到現(xiàn)代，西方物理學(xué)家認(rèn)為中載、王夫之建立的“元?dú)獗倔w論”作一簡(jiǎn)要的介紹。宋代張載(1020—1077)在中國(guó)古代元?dú)庾匀徽摰母咨?，提出了“元?dú)獗倔w論”，他認(rèn)為宇宙萬(wàn)物的根源是物質(zhì)性的“氣”，并進(jìn)而引入了“聚”和“散”的概念，以說明客觀世界不同物質(zhì)形態(tài)的存在和它們的運(yùn)動(dòng)變化。張載在這方面最重要的著作是《正蒙”就是說，元?dú)獾木酆戏稚?，都是臨時(shí)現(xiàn)象〔客形，而不是永久不變的。一切自然現(xiàn)象，變化無窮，都可以用氣來解釋。所以“”他明確地指出了全部自然現(xiàn)象是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化。并舉例說：“氣之聚散于太虛，猶冰之凝釋于水?！闭f明“知太虛即氣，則無‘無’”的道理。意思是說，假設(shè)知道了太虛即氣，則氣處處都存在，沒有所謂“無”了。固然更不會(huì)有“無中生有”的唯心觀點(diǎn)了。他又說：“動(dòng)必有機(jī)，既謂之機(jī)，則動(dòng)非自外也?！备徊街赋隽耸挛镒兓木売稍谟谑挛锏膬?nèi)部。兩不立，則一不行見，一不行見，則兩之用息?！边@是由于任何一物總是有虛實(shí)、動(dòng)靜、聚散和清濁等相反的特性，從而造成了“循環(huán)迭至，聚散相蕩，升降相求，絪溫相楺，蓋相兼相制，欲一之·〕萌芽。明代王夫之(1619—1692)又把張載的“元?dú)獗倔w論”子正蒙記》中指出：“虛空者氣之量，氣彌論無涯而希微不形，則人見空虛而不見氣