中国古代趣味物理实验
作者：湖南邵阳高等师范专科学校 粟新华 唐玉喜 选自《物理实验》2002年第3期
在中国古代，人们十分重视用实验去研究物理现象与规律。一些实验构思奇特，设计巧妙，在漫长的岁月中经受了历史的考验，至今仍然光彩艳丽。不过，物理学在古代不是一门独立的学科，其资料散布于各种典籍，收集起来不容易。本文从“趣味性”角度出发，从各种典籍中选出一些物理实验予以介绍，目的在于了解当今趣味物理实验发展变化的历史背景。
1．“虚管悬液”实验
唐代王冰注解《黄帝内经素问》时指出：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也。”意思是：用手指捏住空管的一端，将管中灌满水后倒过来，水不会从管中流出。因为外面的空气不能进入管中，所以管里的水不会流出来。
这就是“虚管悬液”实验，它证明了大气压强的存在。当管中充满水后，空气不能进入管中。将管倒过来，管内压强为水压，其值通常小于管外的大气压强，故水“悬”在管中。这个实验是从“瓶子倒水”实验演绎过来的。
早在南北朝的《关尹子》一书就已指出：“瓶有二窍，水实之则倒泻，开一则水不下，盖不升则水不降。”意思是：在密封的瓶上开两个小孔，瓶中灌满水，水就会从瓶中倒出。若只在瓶中开一个小孔，水是倒不出来的。因为此时空气不能在瓶中对流。很显然，上下两端开口的瓶子，下口上面压强为一个大气压加水压，下面压强是一个大气压，这种情况下水会从下口流光。但将瓶的上口封住时，水向下滴落一点点后，瓶内气体体积增大，压强减小，当瓶内气压减小量与瓶中水柱产生的压强相等时（有时只要水的下表面向外凸出一点点就行），水就不会流出来了。
该实验，常有教师在讲到大气压作用时，用“试管履行”来演示。
2．“瓶子喝水”实验
宋代俞琰（1258～1314）所写的《席上腐谈》一书：“剧烧片纸纳空瓶，急覆于银盆水中，水皆涌入瓶，而银瓶铿然有声，盖火气使之然也。又依法放入壮夫腹上，挈之不坠。”这段话的意思是：将剧烈燃烧着的纸片放入空瓶里，迅速把瓶倒扣在装有水的银盆中，水就会涌进瓶里，并且铿然有声。因为纸片的燃烧使瓶中空气减少，待瓶内空气冷却后压强降低的缘故。按这种办法把瓶扣在人腹上，瓶子会吸住腹肌而不坠落。很明显，纸在瓶中燃烧，瓶内空气膨胀，空气从瓶中“跑”掉一部分。把瓶扣在水中，氧气燃尽，火焰也就熄灭，此时瓶内温度降低，压强减小，瓶外空气压迫盆里的水涌入瓶中。记载中尽管没有说明这是大气压作用的缘故，但能指出“盖火气使之然”，这在当时已是了不起的事情。古代记载大气作功的实验有许多，还在先秦时期，我国就用“角法”（今“拔罐疗法”）治病了，可见“瓶子喝水”实验并不“年青”。当今人们选择泡菜坛子，先在坛外沟槽中倒水，然后把燃烧的纸片丢进坛中，盖上坛盖，看沟槽中水是否被吸入盖内或坛腹，以此判别坛子是否漏气。其检测原理就是“瓶子喝水”的实验原理。
3．“纸人共振”实验
北宋科学家沈括（1031～1095）在《梦溪笔谈》中指出：“欲知其应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。”沈括的意思是：要想知道某一根弦的应弦，可以先把各条弦的音（依五音声阶）调准，然后剪纸人放在这根弦上。这样一弹它的应弦，纸人就会跳动，弹其他弦，纸人则不动。
这就是著名的“纸人共振”实验。所谓共振，是指一个物体振动的时候，另一个物体也随着振动的现象。发生共振的两个物体，它们的固有频率一定相同或成简单的整数比。如弹动“哆”弦，别的“哆”弦也动，弹动“咪”弦，别的“咪”弦也动。其实，早在沈括以前，已经有人做过“瑟弦相应”实验，战国时庄子（前365～前286）在他的著作中就提到一个叫鲁遽的人：“为之调瑟，废（置）于一堂，废于一室，鼓官宫动，鼓角角动，音律同矣。”只不过“纸人共振”实验更为直观和有趣罢了。
4．“铜瓮雷鸣”实验
西汉刘安（前179～前122）在《淮南万毕术》中云：“铜瓮雷鸣。”其注日：“取沸汤置瓮中，坚塞之，内于井中，则作雷鸣，闻数十里。”意思是：把开水倒进铜瓮里（但勿倒满），将铜瓮密封后丢入井中，声似雷鸣，数十里也能听到。铜瓮怎能“雷鸣”？原因可能有两种：第一，铜瓮在下沉过程中，瓮内水面之上蒸气遇冷降温凝结，压强减低，水的沸点随之降低，水再次沸腾作响；第二，若瓮壁极薄，当瓮内压强降低时，受大气压加水压的作用，铜瓮向内破裂，造成爆炸，声似雷鸣。上述两种现象，都是通过空气冷凝的方法达到做功的目的。现中学用铁皮盒替代铜瓮演示上述第2种现象，实验时因条件限制不在水中而在空气中进行。若演示上述第1种现象，则是将烧瓶内水烧开后稍冷却，再在瓶外浇冷水降温减压来实现。
5．“循烟燃烛”实验
姜岌在《续古文苑》一书中介绍了一个有趣的实验：“今燃一烛在上，一烛在下，灭下烛使烟相当，则上烛之炎，循烟而下，燃下烛矣。此类相从也。”意思是：现在让我们点燃两支蜡烛，一支放在上面，一支放在下面，将下烛的火焰吹灭，使它产生的烟雾（即蜡烛燃烧时产生的蜡蒸气）正好对着上烛的火焰。此时，上烛的火焰会沿下烛烟雾传递过来把下烛点燃。这是因为固态的蜡烛和气态的蜡蒸气都属于同一种物质。在中学物理实验活动课中，常演示“空中飞火”、“火外生枝”两个实验，它们是从“循烟燃烛”中派生出来的。
6．“首泽浮针”实验
《淮南万毕术》云：“首泽浮针。”其注云：“取头中垢，以涂塞其孔，置水即浮。”张岱（1597～1667以后）在《夜航船》中指出：“取头垢涂针，及塞针孔，水上自浮。”上述两种解释，前一种仅指出用头垢涂塞针孔，后一种则还指出应将头垢涂针。其实，将头垢涂针才是最重要的。通常，将密度大于水的物体放在水中，它会沉入水底，因为此时物体所受重力大于水对它的浮力。但由于液体具有表面张力，如果把像绣花针那样小的物体小心地投放水面，针也能由于水的浮力以及表面张力的作用而不沉下。取头垢涂针，把针平放在水面上，因针表面有油脂（头垢），针与水之间的接触角增大，实验更容易成功。
7．“水中游蝌”实验
宋代苏轼（1037～1：101）在《物类相感志》中写到：“獐脑黄蜡和匀染黑。投水中作蝌蚪，自然水中走动。但欲洁净，用了油手指则住。”这个实验中的“獐脑”应为“樟脑”（萘）。苏轼曾在《格物粗谈》介绍过“浮水金丹”实验：“樟脑、银珠捣为饼，入水，即游走。”这个实验与“水中游蝌”相似。
“盆中行船”实验，与水中游蝌也有相似处，对了解“水中游蝌”实验原理会有帮助。用保安刀片将泡沫塑料或木片削制一个约3cm长的小船，在船尾切一个“V”形切口，在“V”形切口中嵌入一片小肥皂，将小船放入倒满水的盆中，小船会自动向前航行。这是一个利用水表面张力做功的实验，肥皂在船尾慢慢溶化，使小船后面水的表面张力系数慢慢减小，所以船头水的拉力大于船尾水的拉力，船缓缓向前移动。
8．“鸡子举飞”实验
《淮南万毕术》云：“艾火令鸡子飞。”这是一个很有趣的实验，但因记载简单，很难确定其实验原理与方法。《太平御览•方术部》引注云：“取鸡子去其汁，然艾火，纳空卵中，疾风因举之飞。”宋朝苏轼在《物类相感志》中云：“鸡子开小窍，去黄白了，入露水，又以油纸糊了，日中晒之，可以自升起，离地三四尺。”
按《太平御览》引注，这个实验利用了热空气的密度小于冷空气的密度，热空气在冷空气中能够上升的原理，但实验不能成功，这倒不是该实验原理不对，而在于蛋壳体积太小，艾在燃烧时壳内排出的空气重力无法令鸡子“举”。因为物体在空气中受到的浮力，等于它排开的同体积空气的重力。但如果鸡子有足够的体积，这个实验就会成功。我国五代时发明的“孔明灯”（热气球）就是一个很大的“蛋壳”。
苏轼介绍的实验方法，应用的是反冲作用原理。鸡子“飞”起离地三四尺，应该是可信的。原因是他将蛋壳开口用纸封闭，只有当壳内气体膨胀，作用在壳内壁的压力相当大时，油纸才被挤破。此时，气流从开口喷出，气流的反作用力推动蛋壳起飞。这个实验的条件控制得非常好：第一，蛋壳开口只有当壳内压力相当大时才打开；第二，温度控制巧妙，蛋壳在密封前，“入露水”，温度很低，密封后，则“日中晒之”，温度显著升高。
9．“鱼洗喷水”实验
《清稗类钞》载：“古州城外河街，有陈顺昌者，以钱二千向苗人购一古铜锅，重十余斤。贮冷水于中，摩其两耳，即发声如风琴，如芦笙，如吹牛角。其声嘹亮，可闻里余。锅中冷水即起细沫如沸水，溅跳甚高。水面四周围成八角形，中心不动。”上述“铜锅”叫“喷水鱼洗”或“鱼洗”。这种古代玩器始于汉代，大多类似洗脸盆，盆底刻鱼，盆沿有两耳，摩其两耳，盆内便能喷射出美丽的水柱。其喷水原理实际上是振动产生的四节线振波引起了水的激荡，振动过程类似于圆钟的空气振动。
试图使鱼洗喷水，应使手掌和鱼洗两耳（弦）摩擦，作为洗发生振动的激励源。手掌所处的位置可视为振动波节的位置，这样，由于洗的对称性，其振动只能产生偶数节线，而振动的拍击波使洗内的水发生相应的谐振动，于是在洗的振动波腹处，水的振动最为强烈，而在洗的波节处，水不发生振动。
关于鱼洗的最早文字记录，见于宋代何远（1077～1145）所写的《春渚纪闻》以及王明清（约1127～？）所写的《挥尘前录》。近年东南大学还复制了不少鱼洗，这些鱼洗被国内外学者所珍藏。现在，鱼洗已成为一些大学课堂上的演示实验仪器。
10．“磁石提棋”实验
《淮南万毕术》云：“慈石提棋。”其注云：“取鸡（血）磨针铁，以相和慈石，置棋头局上，白相投也。”又注日：“取鸡血与针磨寿之，以和慈石，用涂棋头，曝干之，置局上，即相拒不休。”这两条注释，第一条指磁体相吸，即“磁石提棋”，第二条指磁体相斥，即“磁石拒棋”。其做法是用鸡血磨针（此时鸡血起润滑作用），将磨针时所得的鸡血与铁粉混合物中拌入磁石粉末（此时鸡血起粘合作用），涂在棋头。晾干后摆在棋盘上，会出现棋子相互吸引或相互排斥现象。很明显，这种棋子已成为人造磁体。
从理论上看，每颗磁石粉末均具有极性，掺入铁屑能大大增强磁畴。将磁粉与铁粉粘在棋子上，放在地磁场中慢慢晾干，在晾干过程中，每个磁石与铁的小颗粒必循着地球磁感应线作有规则的排列，棋子会显极性，它能与磁石相吸或相斥。南宋庄绰在《鸡肋篇》就曾写道：“捣磁石错铁末，以胶涂瓢中各半边”；“以二瓢为试，置之相去一二尺，而跳跃相就，上下宛转不止。”《史记》、《汉书》等典籍中所指的“栾大斗棋”，指的也是人造磁体具有的这种性质，现在用人造磁铁去做趣味实验就更多了。
11．“冰镜取火”实验
《淮南万毕术》云：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”张华（232～300）在《博物志》中云：“削冰令圆，举以向日，以艾于后承其影，则得火。”综合上述两条记载，联系当时科技的发展情况，我们认为上述大概意思是：把一块冰削成扁圆形，两个侧面鼓成球面，将它举起来，使其一个侧面对着太阳。这样，阳光穿过冰后汇聚成一点，在那里放些艾草一类干燥的易燃物，这些物品会被慢慢点燃。
上述冰块实际上已成为一块凸透镜，阳光汇聚的一点是它的焦点。众所周知，冰块在强烈的阳光下会慢慢熔化，要使它能像古代燧阳那样利用太阳取火，这可是一件了不起的事情。
冰镜能够取火吗？古人的答案是肯定的！如清代郑复光就做过这一实验。1819年，他取透明度极好的冰，用手工削制成透镜，因表面“甚难得圆”而招致失败。后用凹底锡壶，充以热水，放在冰块上旋转，得到形状很好的冰凸透镜，用它对日聚焦，竟使“火煤”燃烧起来，可见冰镜取火不是妄说。
12．“喷水造虹”实验
唐代张志和（约730～约810）在《玄真子》一书指出：“背日喷乎水成虹霓之状。”宋代蔡卞（1058～1117）在《毛诗名物释》同样提到：“以水喷日，自侧视之，则晕为虹霓。”上面引述的意思是：背着太阳向空中喷水，从侧面观察，可以看到霓虹现象。
虹是阳光射入水滴经折射、反射而形成在雨幕或雾幕上的彩色或白色圆弧。在中国古代，有人认为虹乃是天地之淫气，《诗经》就曾写到：“虫带虫东（虹）在东，莫之敢指。”“喷水造虹”实验，是人类有意识进行的一次白光色散实验，它正确地说明了虹的成因。
13．迎风转秫
《帝京景物略》云：“剖秫秸二寸，错互贴方纸，其两端各红绿，中孔，以细竹横安秫竿上，迎风张而疾趋，则转如轮，红绿浑浑如晕。”
这是一个利用风能去推动秫秸转动的实验，实验演示了颜色合成。仪器制作与实验过程大体如此：将去掉穗的高粱杆截成若干段，每段长二寸，剖开。分别把红纸、绿纸剪成方形，并把它们交叉地贴在高粱杆的两端。把高粱杆也交叉放在一起，在交叉的高粱杆的中部钻孔，用细竹一端穿过小孔作为转轴，手持细竹另一端逆风行走，纸片张开，高梁杆快速转动，状如飞轮。此时，红绿两种颜色就像日晕那样浑然一体，形成十分美丽的色环。
本实验中的“仪器”，人们称它为“风车”，是一种儿童玩具。也可以启迪思维，激发智力。
14．著翼起飞
《汉书•王莽传》云：“取大鸟翮为两翼，头与身皆著毛，通引环钮，飞数百步堕。”这是一个滑翔飞行实验：用大鸟羽拼合成两只大翅膀，用牵引线把它们固定在人身两侧，人从头到脚装上羽毛，然后拉着牵引线迅速奔跑，就会象鸟儿一样飞向空中，飞行数百步掉下。我们清楚，鸟在飞行时，翅膀的上面往往向上凸起，下面平直或略微凹进。如果直接将大鸟翅膀作飞翼，或将若干鸟的羽茎拼织成鸟翼形状，那么人拉着“翅膀”迅跑时，空气就相对“翅膀”向后移动。因“翅膀”上凸下平，流过“翅膀”上面的空气，需要绕一个弯，其流速要比“翅膀”下面空气的流速快。这样，“翅膀”上面空气流速快，压强小，“翅膀”下面空气流速慢，压强大，使“翅膀”上下产生压强差。这个压强差，会产生把“翅膀”向上托起的升力，这个升力就可把物体托向空中。
这个实验，是人类第一次进行滑翔飞行的实验。它惊险、有趣，尽管可能不会成功，但试验者需承担较大风险。由此可见，我们的祖先何等聪明和勇敢。
15．水中浮丹
宋代洪迈在《夷坚志》中介绍：“宣和中，蔡鲁公闭居京师，有方士持阴阳丹一两许，如弹子大，色正红，以献之。置之水中，随十二时上下，六阳时则浮上，六阴时则沉。仍各准其方位，不差晷刻。”阴阳丹的组成成份是什么，洪迈没有说明。但在宋代，“水中浮丹”的研究是比较深入的，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动沉浮，实验一丝不苟。苏轼就曾提到：“獐脑黄蜡和匀染黑，投水中作蝌蚪，自然水中走动。”《格物粗谈》中的“浮水金丹”是用樟脑、银珠捣成的。
此外，《北梦琐言》还记载了一个盆中游鱼的实验：“戍州刺史文思辂亦有戏术，曾剪纸鱼投于盆内活。”从洪迈的记录看，阴阳丹在水中的运动很像潜水艇的沉浮。这使人想起阿基米德原理：浸入液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体受到的重力。由此可知，当丹的比重大于液体比重时，丹会下沉，当丹的比重小于液体比重时，丹则上浮。
樟脑丸为什么能在水中自动沉浮呢？原来，实验中的“水”为醋酸溶液，樟脑丸的比重比醋酸溶液略微大一些，所以开始时樟脑丸沉入杯底。但由于醋酸与碳酸钠发生化学反应，产生的二氧化碳气体聚集在樟脑丸的表面，使樟脑丸和气泡这一整体的比重小于液体比重，樟脑丸浮了起来。当樟脑丸浮到液面时，附在樟脑丸表面上的二氧化碳气体逸出，剩下的气泡连同水对樟脑丸向上的浮力支持不住樟脑丸的重量，于是又沉入杯底。
当今课堂上，有些物理或化学教师就做过这种实验：在半杯醋酸里加入碳酸钠数粒，然后把一粒樟脑丸放入杯里。樟脑丸起初沉入杯底，过一会儿就会慢慢浮上来，浮到液面后再沉下去，然后又浮起来，如此反复，十分有趣。
16．铜蟾滴水
“古铜蟾蜍，章申公研滴也，每注水满中，置蜍研仄，不假人力而蜍口出泡，泡殒则滴水入研，已而复吐，腹空而止。”意思是：章申公有一个铜制研滴，形如蟾蜍，显得非常古朴。将它放在研侧，注入水，不用借助人工操作，蟾蜍口中就能吐出水泡，泡灭水滴落入研盘，过一会又吐水泡，如此反复，直到蜍腹中的水吐完。
这是一个利用毛细管引水入研的有趣实验。我们清楚，水能润湿铜，将铜管插入水中，管中液柱的高度，与液体表面张力系数、毛细管内径以及液体与固体的接触角有关。当液体与固体材料确定后，毛细管内径越细，管内液柱越高。因此，用毛细管能达到引水目的。有趣的是，上述实验中毛细管可能就设在人眼无法看见的研滴壁中，毛细管内壁较粗糙，水从蜍腹底部润湿至向研盘方向倾斜的蜍口侧而慢慢形成水滴，当水滴重力大于水的表面张力时，水滴入研盘中。
17．纸铫煎茶
张岱在《夜航船》中指出：“鸡子自调白矾末刷纸，作铫子煎茶，沸而不烧其纸。”鸡子白即鸡蛋清，白矾即明矾。用鸡蛋清与明矾粉末和匀涂刷纸上作成铫子，放在火焰上煎茶，水沸而纸不燃。
我们清楚，普通煤炉的火焰温度约600℃，而纸的着火点是183℃，用煤炉烧纸，纸会燃为灰烬。但用纸铫煎茶，情况就不一样了。炉火燃烧时，铫子内的水会不断吸热，使纸冷却。由于水的沸点是100℃。水会在这个温度下变为蒸气将多余的热带走，所以沸水温度不会超过100℃，这个温度低于纸的着火点，只要铣子里的水不干，同时注意铫子水面以上不接触火焰，纸就不会燃烧。为了防止纸铫水面以上部分被火焰燃烧和纸铫渗水现象发生，同时也为了增加纸铫能够承受水的压力，在纸铫上涂上鸡蛋清与明矾混合物，实验就容易获得成功。
初中物理课本中的“纸锅烧水”实验，可能就是从“纸铣煎茶”演变过来的，而“纸锅烧水”更具有说服力和惊险性。
18．刻鱼测雨
汉代有一个奇特的物理实验，仪器是用玉石雕刻的鱼。这种鱼可能为椭圆形、中空，髟耆尾皆具。实验目的是以鱼的鸣吼来预测天气。原文见《西京杂记》：“昆明池刻玉石为鱼。每至雷雨常鸣吼，髟耆尾皆动。汉世祭之祈雨，往往有验。”这个实验巧妙地运用了共振效应，效果相当不错。使那些不知原理的人。对石鱼产生敬仰，并顶礼膜拜。
我们清楚，风暴时，强风掠过海面会产生次声波，次声波和风暴怒吼的声波一起向四面八方传播，声波很容易被空气和大海“吃”掉，唯有频率很低的次声波在传播过程中能量损失慢、传播距离远。加之次声波比风浪速度快许多倍，它能成为风暴来临的警报。但次声人耳无法分辨，如果能制造一种仪器，将次声变为可闻声，那么这一装置就成为一种风暴报警器。石鱼就是这样一种装置：它张口，腹空，当次声波不断对它施以周期性外力时，石鱼作受迫振动。若声波的策动力频率与石鱼的固有频率成倍数关系，石鱼产生非线性共振，发出声波。其中，高频部分为可闻声。此时，石鱼“髟耆尾皆动”，其声学效应表现为大声“鸣吼”。
在中国古代，利用共振效应预测天气、地震、兵乱的例子不胜枚举。如：“石鼓，冀县有天鼓山，山有石如鼓，河鼓星摇动，则石鼓鸣，鸣则秦土有殃”；“陕州黄河有钟，大水小水常自浮出，每昧朔阴雨之日辄鸣，声响悲亮，行客闻之莫不怆然”；“康熙戊申六月十七日戌刻，山东、江南、浙江诸省，同时地大震……又天鼓鸣，钟鼓自鸣”；“汉武帝时，未央官前殿钟无故自鸣，三日三夜不止。诏问太史，待诏王朔，朔言恐有兵气。”
可见，“刻鱼测雨”实验有其坚实的理论基础，这些理论是在不断观察、分析中总结出来的。我国汉代就有如此奇妙的实验，这的确是炎黄子孙值得骄傲的事情。
19．固体传声
“截竹筒两枚，空其两端，各以一面用皮纸冒之，胶封甚固。两筒纸面相向。，取长数丈细线穿过之，使两人各执一筒，一人属口于此筒之空面，一人属耳于彼筒之空面，相去数丈，属口者随意言语，属耳者听之了了，他人不闻也。”
这是一个证明固体也能传声的实验。此实验在现行初中物理课本也能找到。实验中的装置，叫“传声筒”，或称“土电话”。很明显，当有人对着细线一端的竹筒（发话筒）讲话时，空气发生振动，它推动皮纸与细线振动。此时，细线另一端的皮纸也跟着振动，这样皮纸又带动竹筒（受话筒）内空气振动，把声音传给受话的一方。这里，话筒起着“共鸣”箱的作用。在中国古代，有人通过挖掘地道的方法向城内发起进攻，为了判辨敌方是否采用这一手段，就得使人侦察。《墨经》云：“令陶者为罂，空四十斗以上，固（顺）之以薄革，置井中，使聪耳伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之。”
仔细分析，上述“传声筒”与《墨经》中的“听瓮”相似。可以认为，“罂”相当于“听话筒”，敌人的地道相当于“发话筒”，而连接地道与罂里的泥土相当于“线”。不仅如此，“听翁”装置与当今有线电话也相似，如果把“听翁”装置说成是电话的始祖，应当是可以使人接受的。
20．铜镜透宇
古代有一种镜子，用铜铸成，不仅能照人容貌，而且当光束射到镜面时，铸在镜子背面的铭文图案，还会“透”过镜子映现在屋壁上，非常清楚。这种镜子叫“透光镜”，现已作为演示实验仪器将它搬上讲台。透光镜始于西汉。它与编钟、鱼洗一起，被称为中国古代青铜三宝。
用透光镜进行实验演示，最早的文字记载见于隋唐的《古镜记》，因文字较长，不作叙述。现摘北宋沈括的实验记录如下：“世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字，字极古，莫能读。以鉴承目光，则背文及二十字皆透屋壁上，了了分明。” 铜镜何以透光？沈括说：“人有原其理，以为铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多。文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。”这种解释符合科学道理。显然，透光镜铸成后，镜面会有肉眼不易觉察的与镜背铭文相对应的微小起伏，这种微小起伏是在铸造加工中形成的。铸镜时，镜背的花纹凹凸处凝固收缩，产生铸造应力，加之镜面在研磨时产生压应力。造成弹性形变。当镜面研磨到一定的程度时，这些因素共同作用，使镜面产生与镜背铭文相应的曲率。光束照在镜面，镜的微小起伏经光程放大，便显示出其“透光”效应了。关于透光镜的文字记载还有许多，如宋代的《癸卒杂识》、《云烟过眼录》、元代的《间居录》、清代的《铜仙传》、《镜镜言令痴》、《前尘梦影录》、《渊鉴类函》等等均有涉及。
21．小孔成像
小孔成像是初中课本中一个重要的物理实验，该实验最早见于《墨经》：“景到，在午有端与景长，说在端。”“景：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，在远近有端与于光，故景库内也。”意思是：景像倒立，在于光线交错处有一点状小孔，同时，影像与物体有一定长度（距离）。因为点状小孔极小。影像：光线照到人身上，象箭射入小孔一样。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。人足在下遮蔽着下光，所以脚的影像映在壁的上方；人头在上遮蔽着上光，所以头的影像映在壁的下方。由于在物体的远处或近处有一点状小孔和物体被光线直线所射，所以影像倒立在窟孔里面的壁上。
小孔成像实验记载还有许多，北宋沈括在解释“阳燧照物皆倒”时就涉及到小孔成像的问题：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢相违：鸢东则影西，鸢西则影东。”宋末元初的赵友钦还以楼房为光学实验室进行过专门研究。元代郭守敬发明的“仰仪”和“景符”也运用了小孔成像原理。
值得指出的是，上面叙述只限于“倒像”，直至清代，郑复光才指出影屏上还能形成正像（光斑）的事实。
22．悬镜照邻
《淮南万毕术》云：“高悬大镜，坐见四邻。”高诱注日：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”我们清楚，静止的水面是光的良好反射面，还在原始社会，人类就已注意到平静湖面中的倒影（像）。早在殷商时代，我国就已有人利用静止的盘水作为照像器具，这种器具叫“水鉴”，即后来所说的“水镜”。
在悬镜照邻实验中，水盆的作用是把从大镜反射到水盆水面的光线再反射给人眼，使人能看到宅内看不见的宅外景像。很明显，水盆与大镜的组合，已构成潜望镜。中学课本中的潜望镜，通常是把两面玻璃镜成45°角安装在“Z”形曲管的转弯处，而上述潜望镜则没有“Z”形曲管，所以人们把它叫做开管潜望镜，它是潜望镜的鼻祖。
23．杯中显“影”
“徐州护戎陈皋供奉，行田间遇开墓者，得玛瑙盂，圆净无雕镂纹，盂中容二合许，疑古酒卮也。陈用以贮水注砚。因间砚之中有一鲫，长寸许，游泳可爱。意为偶汲池水得之，不以为异也。后或疑之，取置缶中，尽出余水，验之鱼不复见。复酌水满中，须臾一鱼泛然而起，以手取之，终无形体可拘。复不可知为何宝也。余视之数矣。”
关于容器中的显“影”现象，张英、王士桢在《渊鉴类函》中也有记载：“真率齐笔记云：关关赠余本明以青华酒杯。酌酒辄有异香在内，或有桂花，或梅，或兰，视之宛然，取之若影，干则不见矣。”由此可知，关关赠余本明的酒杯不止一个，且每个酒杯装酒后会显示出不同图像。显然。杯中显“影”并非偶然，它是人们对酒杯特意加工后形成的。
1979年，山西省侯马市一工厂科技人员，通过长期研究，仿制蝴蝶杯获得成功，其原理如下：在杯底中央嵌装一枚凸透镜，在杯脚里以细弹簧（游丝）装上一个彩蝶，只要杯受微小干扰，彩蝶就能舞动。杯中无酒时，彩蝶在凸透镜焦点之外，造成与人眼同侧的实像，人眼视之很模糊。斟酒入杯后，这层透明的酒成了一枚凹透镜，凸透镜与凹透镜组合成为复合透镜。复合透镜的焦距比凸透镜的焦距大，彩蝶便落在复合透镜焦距之内，造成了放大的虚象，大约位于明视距离处。此时复合镜起放大镜作用，故人眼很清楚地看到放大了的蝴蝶。因杯拿在手里会有点抖动，蝴蝶也就翩翩起舞了。古人砚中可能没有弹簧，但水面微小的波动，足以使鲫“游泳可爱”。
结束语
综上所述，本文从若干经典文献中精选出23个趣味物理实验，内容包括力学、热学、声学、磁学、光学等几个方面。这些实验只是中国古代趣味物理实验中极少的一部分，另一方面，在本文罗列的实验中，有些实验（如“水中游蝌”、“磁石提棋”）尚未得到验证，正因为如此，才会更加激起我们探索的欲望。
发布时间：2009/6/22 下午4:01:27 阅读次数：17957
