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摘要：将分布在中国古籍中的一些趣味性浓的物理实验收集拢来予以介绍，扼要地分析了实验原理与方法，指出其在当今物理学中的应用，对了解中国古代物理实验产生、变化、发展的历程具有参考价值。
关键词：古代，趣味物理实验，拾零
1、前言 中华民族是一个酷爱实践的民族。在中国古代，人们十分重视用实验去研究和检验物理现象与规律。这些实验构思奇特，设计巧妙，它们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，其资料散布极其广泛，收集起来并不容易。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。 ２、“虚管悬液”实验
唐代王冰（生卒年代不详）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。”[1] 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，它证明了大气的存在：当管中充满水，水压小于或等于大气压，水就“悬”在管中。这个实验是从“瓶子倒水”实验演绎过来的。早在南北朝成书的《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。”[2] 意思是：在密封的瓶上开两个小孔，瓶中灌满水，水不会从瓶中倒出。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。
这个实验，今常有教师在课堂演示，讲到大气压作功时，其实验就用“试管履行”来演示。 ３、“瓶子喝水”实验 利用大气作功使瓶子“喝”水，这个实验见宋代俞琰（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。又依法放人壮夫腹上，挈之不坠。”[3] 将剧烈燃烧着的纸片放入空瓶中里，迅速将瓶倒扣在装有水的银盆中，水就会涌进瓶里，并且铿然有声。这是火气引起的缘故。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。
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。
４、“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。”[4] 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，就已经有人做过“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，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。”[5]只不过“纸人共振”实验更为直观和有趣罢了。
５、“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。”其注曰：“取沸汤置瓮中，坚塞之，内于井中，则作雷鸣，闻数十里。”[6] 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，这是“遇冷反沸”现象；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，不管是“遇冷反沸”还是“压缩爆炸”，都是通过空气冷凝的方法达到做功的目的。现中学演示“压缩爆炸”实验已用铁皮盒替代铜瓮，实验时因条件限制不在水中而在空气中进行。至于“遇冷反沸”，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。
６、“循烟燃烛”实验
姜岌（生卒年代不详）在《续古文苑》一书中向我们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。”[7] 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，我们常演示“隔桥飞火”、“火外生枝”这两个实验，它们是从“循烟燃烛”中派生出来的。
７、“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。”[8]张岱（1597—1667以后）在《夜行船》中指出：“取头垢涂针，及塞针孔，水上自浮。”[9] 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，将比重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，如果把象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，头垢中油脂会在水面扩散，以增大水的表面张力，实验更容易成功。 “首泽浮针”，这是一个非常有趣的实验。明代刘侗（生卒年代不详）、于奕正（生卒年代不详）在《帝京景物略》中记载：我国古代妇女常于每年农历7月7日进行“丢针”这种娱乐活动。既锻炼技巧，又增长知识，真是其乐无穷。
８、“水中游蝌”实验
宋代苏轼（1037—1101）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。”[10] 这个实验中的“獐脑”是否为“樟脑”（萘），染黑材料为何物，笔者尚不清楚，故原理不明。不过我们现在常做下面两个实验，它们与水中游蝌有相似之处，对了解“水中游蝌蚪”实验原理用会有帮助。 实验一：“盆中行船”
用保安刀片削制一个约3厘米长的小船，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澡盆中，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小于船头的表面张力，船头所受水的拉力大于船尾水的拉力，所以船缓缓向前移动。 实验二：樟脑沉浮 在一支盛有醋酸溶液的试管中放入几粒碳酸钠（石碱），把一粒樟脑丸放入试管里，它会忽沉忽浮。 樟脑密度略大于醋酸溶液，它会在醋酸溶液中下沉，但加入碳酸钠后，碳酸钠和醋酸发生化学反应而产生二氧化碳气体，这些气体有的以气泡的行式附着在樟脑丸上。因气体密度比水小得多，所以随着附着在樟脑丸表面的气泡增加，樟脑丸和气泡这一整体的密度反而小于液体密度，因此，樟脑丸便浮了起来。樟脑丸到达液体表面，附着在樟脑丸表面的气体散失，气泡减少，樟脑丸又会下沉，如此反复，十分有趣。 ９、“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。”[11]宋苏轼在《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。”[12] 按《太平御览》引注，这个实验是不能成功的，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量无法令鸡子“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质量。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）不就是一个很大的“蛋壳”吗？
苏轼介绍的实验方法，能使鸡子“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，强大的气流从开口喷出，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，蛋壳只开一个小窍，以延续鸡子飞升的时间，使其飞升距离加大；第三，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。我们现在做“喷气飞机”、“反冲火箭”等趣味实验，就是依据这个原理，实验时不妨用鸡子试试，一定会有收获的。
１０、“鱼洗喷水”实验
《清稗类钞》载：“古州诚外河街，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。”[13] 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，其振动只能产生偶然节线，而振动的拍击波使洗内的水发生相应的谐和振动，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（1077—1145）所写的《春渚纪闻》以及王明清（约1127—？）所写的《挥麈前录》。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，在国内许多遊览场所，也可以见到这种神奇的器具。
１１、“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，自相投也。”又注曰：“取鸡血与针磨擣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上，即相拒不休。”[14] 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（时此鸡血起粘合作用），涂在棋头上。晾干后，用磁石去靠近棋子，会出现棋子与磁石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，每个磁与铁的小颗粒必循着地球磁力线作有规则的排列，棋子会显极性，它能与磁石相吸或相斥。南宋庄绰（生卒年代不详）在《鸡肋篇》就曾写到：“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。”[15]《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味实验也就更多了。
１２、“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。”[16]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。”[17] 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，阳光穿过冰块后会汇聚成一点，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融化，要使它能像古代阳燧那样利用太阳取火，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（生卒年不详）就做过这一实验。1819年，他取透明度极好的冰，用手工削制透镜，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。
１３、“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。”[18] 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、衍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：“蝃蝀（虹）在东，莫之敢指。”[19]“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，给历史上关于虹的种种迷信邪说以毁灭性的打击。 在中学，“喷水造虹”是一个课外实验，但在课堂上演示白光色散时，一般用三棱镜进行演示。
14、结束语 综上所述，本文从若干经典文献中精选出十二个趣味物理实验，内容包括力学、热学、声学、磁学、光学等几个方面。应当指出，这些实验只是中国古代趣味物理实验中的一个极少的部分。另一方面，在本文罗列的实验中，有些实验（如“水中游蝌”、“磁石拒棋”）尚未得到验证，正因为如此，才会更加激起我们探索的欲望。 15、参考文献
[1][唐]王冰注．黄帝内经素问.卷第十九.六微旨大论第十八．北京:人民卫生出版社.199.400 [2][南北朝]尹喜．关尹子.九药.浙江:浙江人民出版社,1984. [3][宋]俞琰.席上腐谈. [4][宋]沈括．梦溪笔谈.补笔谈卷一.乐律.北京:团结出版社,1996.336 [5][战国]庄子．杂篇.徐无鬼．长沙：岳麓书社，1990. [6][8][11][14][16][汉]刘安．淮南万毕术．北京:中华书局,1985 [7][后秦]姜岌.续古文苑.卷九.浑天论答难． [9][明]张岱．夜航船.卷二十.方术部.方法.杭州,浙江古籍出社,1987.690 [10][12][宋]苏轼．物类相感志.杂著.北京:中华书局,1985.31 [13][清]徐珂．清稗类钞.第九册.鉴赏类.北京:中华书局,1986,4344 [15][南宋]庄绰．鸡肋篇.卷中.北京:中华书局,1983.72 [17][晋]张华．博物志.卷二.北京:中华书局,1985.11 [18][宋]蔡卞．毛诗名物释 [19]葛培岭．五经全译.诗经.庸风.郑州:中州古籍出版社.1991.77 |
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