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 16:01:27  阅读次数:15371

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