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中国古代趣味物理实验拾零
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
Titbits of interesting physics experiments in aicient China Su Xinhua TANG Yu-xiAbstract: Some strongly interesting physics experiments which were done by ancient Chinese people are collected.Their principhes and methods are byiefly and their applications in today’s physics teaching are precented.the knowledge about ancient physics experiments will be helpful in learning the history of physics experiment. Key words: ancient; interesting physics experiment; physical phonomenon
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
中国古代趣味物理实验拾零（二） 细雨敲窗 （此文刊于«物理实验»，原名«中国古代趣味物理实验十摘»。） 摘 要 该文从中国若干典籍中采撷了十个趣味性较浓的物理实验．这些实验构思奇特，设计巧妙，且大多可用于课堂演示．对了解中国古代物理实验发展的历程具有一定参考价值． 关键词 古代，物理， 趣味实验 中图分类号：o4 文献标识码：E
Ten items of interesting Physics Experiment in ancient China SU Xin-hua TANG Yu-xi （Shaoyang College, Shaoyang, Hunan 422000）
Abstract: In this paper, ten items of physics Experiment are selected from ancient References in China． These experiments were designed very well and could still be used for demonstration in class now． The material in this paper will be Helpful to investigate the history of Physics experiment in china． Key words: ancient, physics, interesting experiment
1 壶窍泻水 谷应泰在《明史记事本末》中介绍了徐有贞1453年受命往山东张秋治水之前所做的一个实验：“初，有贞方鸠功，有言沮者，上使中使问之．有贞示以二壶，一壶之窍一，一壶之窍五，注水二壶，五窍先涸．中使还报上，上惟有贞之所为．”[1] 这个实验是在主张对黄河决口进行筑堤堵塞还是疏决开支河的矛盾冲突下进行的，徐有贞主张分河疏流,认为这样易于排水,但遭到部分人的阻拦．于是，徐有贞当着钦差大臣的面演示了壶窍泻水实验，用事实说明分河疏流的正确性，这一主张得到了皇上的支持． 实验是这样进行的：取两个形状一样、容积相等的水壶，在一个壶中开一个大孔，在另一个壶中开五个小孔，五个小孔开孔总面积等于大孔开孔面积，将两壶灌满水后同时让水从壶中开孔处流出．实验结果是：开有五个小孔的那壶水先流完． 这个实验的趣味性在于：人们通常认为只要两壶开孔面积相等．其流量必然一致．但事实并非如此．因在两壶横截面积、起始时水的深度和开孔面积相等的情况下，壶中水流尽的时间决定于孔的水流量系数．若两壶开孔形状相同、孔缘锐利程度和水温一致，则水流量系数决定于流速系数．在一定范围内，流速系数是随水的深度减小和孔径减少而增大的，这就是五窍之壶中的水先涸的原因． 有关壶窍泻水的记载，还可在《明经世文编》、《物理小识》、《明通鉴》中见到，只是在实验起因、壶的开孔数目、窍口截面大小是否确定等叙述上稍有差异，但实验结果完全相同这个实验也是迄今为止所发现的世上同类流体力学实验中最早的一个． ２ 结环飞木 《抱朴子》载：“用枣心木为飞车，以牛革结环剑以引其机，……交罡而乘之，上升四十里……．” ［２］ 飞车，即“竹蜻蜓”，它是一种飞行玩器．这种玩器通常用竹片或木片作飞翼，飞翼下安一转柄（环剑），转柄套入用竹筒做成的手柄中．在手柄一侧开孔，将绳索穿过小孔后缠绕在转柄上，绳的一端露在手柄外，用力抽出绳索，翼片即向空中飞去． 飞车的飞行原理是：拉动绳索，转柄飞速转动，并带着飞翼作圆周运动．由于飞翼做成螺旋桨状，它对空气产生向下的作用力．把绳索从竹筒中全部抽出后，飞翼在空气的反作用力的推动下飞向高空． “竹蜻蜓”这种玩具，千百年来一直为人们所喜爱，它与风车一样，至今仍在民间流传．值得注意的是，古代也有人称风筝为飞车．张华在《博物志》中就曾提到：“奇肱国，其民善为机巧，以杀百禽，能为飞车，从风远行．” ［３］此处所指飞车，当为风筝，其飞行原理与“竹蜻蜓”不同． ３ 燧尊吐酒 《渊鉴类函》载，晋代孙绰（公元３１４年—３１７年）有一个阳燧尊，该尊以瓷制成．“详观兹器，妙巧奇绝．酌焉，则注受．满，则吐泻，是会未见其竭．” ［４］ 这一酒尊太神奇了：当你向尊内注酒时，只要不是装得太满，酒一滴也不会流出来；但如果装酒超过其限度，哪怕只要多一点点，酒就会从杯子里面流出来，直至流完为止．这种器具常用来告诫人们不要贪酒好杯，做人要“兴之无若，施而有节”． 上述酒尊，有人称它为 “酒龙杯”`“劝世杯”或“公道杯”，今天有人也称“魔杯”．人们一直认为，它是北宋程某研制出来的．从上述记录来看，这一说法并不正确． 魔杯虽神奇，但构造却十分简单：只要在尊中安一虹吸管（渴乌），使管的一端通向尊底或尊侧即可．因魔杯失传已久，人们很难猜透其原理．新中国建立以后，江西景德镇研制瓷器的科技人员才根据古籍记载重新研制出这种酒尊，并在国外展销会上引起轰动． 魔杯的工作原理是：向尊中注酒，使尊内液面略低于虹吸管的顶部，此时，虹吸管管内液面与尊中液面处在同一高度，其压强均为一个大气压，水不会从虹吸管流出；当尊内液面高于虹吸管的顶部时，虹吸管管中液面低于尊内液面，虹吸管通向尊外的一端压强变小，酒通过虹吸管流向尊外，直至尊内液面与虹吸管其中一端平齐为止． 魔杯再次研究成功后，其装置立即被有关教师作为演示实验仪器使用．我们在可乐瓶中装上虹吸管，外面用纸壳包住，并在纸壳上书一“酒”字，演示时用纸壳将可乐瓶罩住，演示后抽开纸壳，展示魔杯结构．实验名叫“宝瓶献酒”．效果相当不错． 4 挥箸击瓯 张英、王土祯在《渊鉴类函》中指出：“唐大中初，郭道原善击瓯，用越瓯、邢瓯二十，旋加减水，以箸击之，其音妙于方响．” ［５］ 意思是：唐大中初年（公元８５９年），有一个名叫郭道原的人善于用瓯子奏乐，他用越瓯、邢瓯共十二个，根据乐音需要临时在瓯中倒入适量的水，以筷子轻击瓯沿，声音悦耳动听，效果比方响还好． 这是一个振动发声的有趣实验．实验时改变瓯中水位的高低，当敲击瓯子时，瓯体的声音会产生变化．演示前仔细调好各瓯中的水位，将瓯按音调高低有序排列，然后用筷子依乐谱轻击相应的瓯子，就能奏出动人的乐曲． 茶余饭后，便挥箸击瓯，何尝不是一件乐事，宋代何薳在《春渚记闻·卷第八》说：“宋柳恽尝赋诗未就，以笔捶琴，客有以箸和之．”如果在讲解“声现象”时，教师把这个实验搬上讲台，用以解释声音的产生，说明声音高低跟振动快慢的关系，那么，教师在传授知识时，还会也给学生以美的感受． ５ 欹器盛水 据《孔子家语》记载，孔子在鲁桓公庙见到一种欹器，他不认识，便请教看庙人，看庙人说：“这是放在座位右边，用来告诫自己的器具．”孔子于是叫儿子伯游拿水试验，实验结果如《荀子》所说： “虚则欹，中则正，满则覆．” ［６］ 上述欹器，很象仰韶人使用过的尖底提水陶瓶．这种陶瓶是一种取水器具，陶腰有双耳，可穿绳索．空瓶重心在双耳之上，将它缒到河里，能自动倾倒让水入瓶，灌到六七成，瓶的重心降到双耳以下，瓶在水中自动扶正，这样提水时水不会洒出．如果将瓶强行按入水中，水满后瓶的重心就会升到比空瓶重心更高的位置，提瓶出水，由于倾斜，瓶会将水倒出一部分． 关于欹器盛水，古籍中有不少记载，如《三国典略》、《朝野佥载》、《玉壶清话》、《太平广记》等．按《渊鉴类函》载：“周庙欹器东汉犹存，至汉之末不复存，形制遂绝．” ［７］后来，杜预、祖冲之 ，李臬、曹丕等又重造欹器，其应用也越来越广．因为这种研究物体重心位置变化的实验，对提高物体稳度的研究很有科学价值．现在我们使用的翻笼车，就是一种重心位置可以人为变动的装置．其实，古代陀螺，酒胡子（即不倒翁）也是类似研究重心位置的器具． 欹器这一古老器具，若将其悬挂在支架上搬上讲台，就象古人在宴席上进行演示的那样，那么这一器具就会再现光彩． 6 律管考声 《岁华纪丽》云：“节移阴管自符河内之灰，春动阳钟又应金门之竹.” [7]说的是截金门山之竹为管，采河内芦苇杆中薄膜燃烧成灰，将灰放入新制律管中，然后吹响标准的黄钟律管，以此检定新管是否符合国家标准. 新管一端开口，一端密封，当标准的黄钟律管被吹响后，声波从新管开口端进入管内，从密封端反射回来，这样，入射波与反射波叠加形成驻波.新管密封处为驻波波节，若新管长度正确，开口处即为波腹，这时管内空气振动最强烈，管内轻灰被振成小堆一小堆的，同时会使人听到从管口传来的共鸣声.若新管不符合国家标准，该管则无法共鸣，管内轻灰保持原状. 这个有趣的声学实验，其成果在中国古代广泛应用于度量衡的检定，对制造和调整各种乐器也有十分重要作用.据《后汉书》载，这种实验通常在缇室进行：“候气之法，为室三重，户闭，涂衅必周，密布缇缦.中以木为案，每律各一，内庳外高，从其方位，加律其上，以葭莩灰抑其内端，案历而候之，气至者灰动.” [8] “葭莩”是芦苇杆里的薄膜，用它烧成的灰很轻，当竹管振动时，灰容易发生位移.“缇缦”是没有花纹的丝织品，将它密布室内，目的在于防止室外声音和空气流动对实验的干扰.《后汉书》中记载的缇室，也是我国最早的声学实验室，距今至少有1700多年了. 现物理教学中，声音在空气中的传播速度是一重要常数，测定这一常数的实验有共鸣管法.该装置就是从律管考声实验装置演变过来的.同样，演示音叉的共振，是在频率相同的两音叉下各装一共鸣箱，使它们相隔一定距离，敲击其中一音叉，另一音又发生振动，同时听到从共鸣箱发出的声音.这个实验也是从律管考声实验中演变过来的，其中还融入了“纸人共振”的实验方法. ７ 拳上倒碗 唐段成式说，在他还未亏齿时就听人说过，有人能以筹碗中绿豆击蝇，十不失一，并且“又能拳上倒碗，走十间地不落．” ［9］ “拳上倒碗，走十间地不落”，这是一个惊险而有趣的实验：将碗悬挂在拳头下面，人握拳行走，即使走很远距离，碗也不会掉落． 上述实验在民间广为流传，街头、酒宴中常常有人演示．有人以“拳”为“掌”．名“手掌吸碗”或“掌下悬碗”． 掌下怎能悬碗呢？原来，将碗置于掌上时，另一只手用力将碗底在掌上挤压，使掌上肌肉尽量填满碗底．把碗与掌倒过来后，碗在重力作用下要向地面运动，这样在碗与掌接触部分的中间就形成真空而产生负压，若碗与掌接触部分不漏气，碗就会悬在掌下而不掉落． ８ 水中“浮”钱 明方以智在《物理小识•卷一》中指出：“置钱于碗，远立者视之不见．注水溢碗，钱浮水面矣．” 这是一个演示光的折射现象的实验：将硬币投入空碗中，人远立碗的一侧，逆着光线看去，硬币反射到人眼的光线已被不透明的碗壁所遮档．我们无法看到硬币．注水于碗，光从空气进入水中，因水与空气密度不同，射向硬币的光线，在水面处会发生弯曲，这种现象叫光的折射．由于光的折射现象的发生，此时我们逆着折射光线看去，硬币便“浮”了上来，池水似乎变浅了，因为我们看到了硬币的虚像． “水面浮钱”作为演示实验虽然可见度很小，但它简单、适用、有趣，至今仍有不少教师将其作为演示实验在课堂演示． 9 掬草飞蛾 《太平广记》引《逸史》说，王潜子弟求百胜张七政以戏术．“张取马草一掬，再三揉之，悉成灯蛾飞去．” ［10］段成式在《酉阳杂俎》中也有这一记载．意思是：张七政随即手捧一捧马草，反复搓揉，不一会，马草象灯蛾一样飞去． 从史料上看，张七政具有丰富的自然科学知识，他精通医理、化学，其“方术”均有科学道理．因此，“掬草飞蛾”应不是江湖骗术．那么，“掬草飞蛾”究竟是怎么回事呢 ？窃以为，这可能是两带电体同性相斥的现象． “取马草一掬，再三揉之，悉成灯蛾飞”，这一记载太简单了，以致我们无法去重复原有的实验过程．但我们清楚，某些干燥的绝缘体与其他干燥物相互摩擦后会显示电的性质，而且，用同种材料和方法经摩擦后得到的两个带电体，把它们放在一起时会相互排斥． 关于磨擦带电现象，公元前1600年希腊哲学家兼数学家泰利斯就发现了．我国公元前也有记载．《春秋纬•考异邮》就说：“慈石取铁，代瑁吸喏．”但对经过摩擦后的两个带电体相互排斥的现象，直到1733年才由法国人德雨费所发现，如果“掬草飞蛾”是先使马草带上同种电荷，然后让它们相互排斥的话，那么，这一实验就比德雨费的发现早得多． 此外，清卢若腾在《岛居随录》中提到：“痉龟板与枣根，可以召雷．”这也可能是一个磨擦起电实验．即将干燥的龟板、枣根分别与其他材料磨擦后，它们会带上不同电荷，若使它们相互接近，就会产生火花，同时会听到“噼啪”的放电声． 10 器中喷泉 《清稗类钞》载：“黄履庄少聪颖，尤喜出新意，作诸技巧．……作水器，以水置器中，水从下上射如线，高五六尺，移时不断．” ［11］ 黄履庄七八岁就能锥凿木人在桌上自动行动走，作木狗触机则吠，作画眉跳舞飞鸣，凄越可听．可惜这些制作没有详细记录，使人很难参透其中奥秘． 关于器中喷泉，有多种方法可以实现，最常见的是水压法和气压法．水压法是将水器与水源（水箱或水池）接一连通管，连通管接水器的一端竖直向上，当水源位置高于水器时，水通过连通管从水器喷出，水源位置越高，水压越大，喷水越高．水源越充足，喷水时间越长．气压法是通过改变喷泉装置内的空气压强来实现的． 在两个未装满水的密封容器中各竖直插入一根直管，直管一端没入水中，另一端露在器外．两直管露在器外的那一端，一根做成喷嘴型，一根接一漏斗．另用一根弯管，两端分别插入两容器中，使两容器空气连通．此时，向漏斗中注水，喷嘴管顶端就会有水喷出．因为在漏斗中注水后，水进入连接漏斗的容器，该容器中的水位上升，使两容器中空气压力增大，这个压力迫使连接喷水管的容器中的水从喷嘴喷出．喷水高度取决于两瓶中气压的大小，喷水时间的长短则决定于两个容器中水的多少．若将该装置的漏斗和喷嘴置于另一水器中，在水器中装上假山，植以花草树木，让喷嘴藏在假山中，该水器就显得非常美丽．黄履庄制作的水器，尽管喷水超过了一个时辰，喷水时间也不算长，很可能属于上述气压法喷泉装置．但并不排除他所做的是一个自动循环喷泉，因为只要将上述装置稍作改进，就能做成自动循环喷泉．凭着王履庄制做诸器的智慧与技巧，做一个自动循环喷泉应是相当容易的事情． 喷泉实验应用广泛，在物理游艺会上，这种装置常常使用．我在物理活动课中，见到有人演示这个实验，并美其名曰：“喷泉谢客”或“喷泉迎宾”．这种融知识性、趣味性为一体的实验，学生特别欢迎．
１１ 参考文献 ［１］ ［清］谷应泰．明史纪事本末．河决之患．卷三十四[M]．北京：中华书局，1977．504 ［２］ ［晋］葛弘．抱朴子．内篇．杂应卷第五．上海：世界书局，1935．70 ［３］ ［晋］张华．博物志．卷八．北京：中华书局，1985．31 ［４］ ［清］张英、王士祯．渊鉴类函．卷第三百八十四．器物部．尊．北京：中国书店，1985．(无页号) ［５］ ［清］张英、王士祯．渊鉴类函．卷三百三十一．巧艺部．杂技．北京：中国书店，1985．(无页号) ［６］ 王森泽注：荀子．二十八．宥坐．北京：中国书店，1992．344 ［７］ ［清］张英、王士祯．渊鉴类函．卷第三百五十七．产业部．百工．北京：中国书店 1985．(无页号) [7] ［唐］ 韩鄂.岁华纪丽，卷第一．春［M］．北京：中华书局，1985.5 [8] ［宋］ 范晔．后汉书．志第一．律历上［M］．北京：团结出版社，1996.899 ［９］ ［唐］段成式．酉阳杂俎．续集卷之四．贬误．北京：中华书局，1981．238 ［10］ ［宋］李昉等．太平广记．第一册．卷第八十．方士五．哈尔滨：黑龙江人民出版社，1999．487 ［11］ ［清］徐珂．清稗类钞．第五册．工艺类．北京：中华书局，1984．2358
中国古代趣味物理实验拾零（三） 细雨敲窗 （此文已在公开刊物发表，原名«中国古代趣味物理实验补遗»） 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；方法 中图分类号：o4 文献标识码：E An Supplement to interesting Physics Experiment in ancient China Abstract: Some strongly interesting physics experiments which were done by ancient Chinese people are collected.Their principhes and methods are byiefly and their applications in today’s physics teaching are precented.the knowledge about ancient physics experiments will be helpful in learning the history of physics experiment. Key words: ancient； interesting physics experiment; method 继“中国古代趣味物理实验拾零” ［１］、“中国古代趣味物理实验十摘” ［2］之后，又从古籍中挑选出部分趣味物理实验予以介绍.并扼要分析实验原理与方法. １ 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.” ［3］ 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伤作为转轴，手持细竹另一端逆着风快速行走，纸片张开，高粱杆快速转动如飞轮.此时，红绿两种颜色就像日晕那样浑然一体，形成了十分美丽的色环. 本实验中的仪器，人们称它为“风车”，是一种儿童玩具.这种仪器，在中国古代统治者心目中，肯定不能登大雅之堂.因此，从事科学研究的人们，总是想方设法把自己的发现以玩器的形式保存下来，以启迪思维，激发智力. 2 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．” ［4］ 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，会产生一股把“翅膀”向上托起的升力，这个升力可把物体托向空中． 这个实验，也是人类第一次进行滑翔飞行的实验．它惊险，有趣，尽管成功的可能性小，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． 3 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．” [5] 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.” [6]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，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当今课堂上，有些物理或化学老师就做过这种实验：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. 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上向的浮力支持不住樟脑丸的重量，于是又沉入杯底. 4 空中飞蝶 张岱在《夜航船》中指出：“竹内膜纯阴，将酥涂其上，见太阳即飞，名飞蝴蝶.”[7] 这是一个什么实验?笔者不敢肯定.从字面上看，它好像是一个实验装置经过改进的“鸡子举飞”:从竹筒中取一张竹膜，将其收扰成球状，在接口处内侧涂上适量酥油，使竹膜像一个吹足空气的气球.然后把竹膜放在太阳下加热，竹膜球内部空气受热膨胀，当球内空气压力较大时，空气从酥油粘合处冲开一个缺口，这样气体对竹膜球产生反作用力，使竹膜球飞向空中. 与“鸡子举飞”（苏轼《物类相感志》：“鸡子开小窍，去黄白了，入露水，又以油纸糊了，日中晒之，可以开起，离地三四尺. ”）实验比较，竹膜球的体积可以做得很大但重量极轻，这会使实验更易成功.另一方面，因竹膜重量轻，将其加工成蝴蝶或其他形状，也不至使竹膜不能起飞，但却会使实验变得更有趣.实验的设计思想，的确令人佩服. 5 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.”[8] 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. 6 纸铫煎茶 张岱在《夜航船》中指出：“鸡子白调白矾末刷纸，作铫子煎茶，沸而不烧其纸.”[9]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,沸而纸不燃. 我们清楚,普通煤炉的火焰温度约600 OC ，而纸的着火点是183 OC，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 OC.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 OC,这个温度低于纸的着火点，只要铫子里的水不干，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“纸铫煎荼”演变过来的，而“纸锅烧水”更具有说服力和惊险性. 7 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.” [10]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 尾该动”，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” [11]；“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” [12]；“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，钟鼓自呜” [13] ；“汉武帝时，未央宫前殿钟无故自鸣，三日三夜不止.诏问太史，待诏王朔，朔言恐有兵气.” [14] 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. 8 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.”[15][16] 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”，今称“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，常常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)之以薄革各 革，置井中，使聪耳伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之. ”[17] 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. 9 铜镜透字 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.以鉴承日光，则背文及二十字皆透屋壁上，了了分明.”[18] 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.”这种解释合符科学道理.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. 10 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.”[19]“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.”[20]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.”[21]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”,直代清代，郑复光才指出影屏上还能形成正像（光斑）的事实. 11 悬镜照邻 《淮南万毕术》云：“高悬大镜，坐见四邻.”高诱注曰；“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，已构成实验装置——潜望镜. 中学课本中的潜望镜，通常是把两面玻璃镜成45O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. 12 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.”[22] 关于容器中的显“影”现象，张英、王士祯在《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.” [23]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象.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，山西少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.因杯拿在手里总要受点干扰，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”. 13 参考文献 [1] 中国古代趣味物理实验拾零［M］．物理实验，2002，22（3）：44-48 [2] 中国古代趣味物理实验十摘［M］．物理实验，2002，22（9）：45-48 [3] ［明］刘侗、于奕正.帝京景物略.卷之二.城东内外.北京：北京古籍出版社，1983.72 [4] ［汉］ 班固．汉书．卷九十九下．王莽传第六十九下．长沙：岳麓书社，1993．1826 [5] ［宋］ 洪迈，夷坚志、卷四十七．方土阴阳丹［M］．上海进步书局，（笔记小说大观第二册．江苏：广陵古籍出版社，1983.301） [6] ［宋］ 孙光宪.北梦琐言.逸文卷第一.黄万户神术[M].上海：上海古籍出版社，1981.145-146 [7] ［明］ 张岱.夜航船.卷二十.方术部.方法[M].杭洲：浙江古籍出版社，1987.691 [8] ［宋］ 何薳.春渚纪闻.卷第九.记砚[M].北京：中华书局，1683.143 [9] ［明］ 张岱.夜航船.卷二十.方术部.方法[M].杭洲：浙江古籍出版社，1987.691 [10] ［汉］ 刘歆撰、［晋］葛洪辑.西京杂记.卷—［M］．上海：上海古籍出版社（四库笔记小说丛书），1991.5 [11] ［唐］ 段成式．西阳杂俎．前集卷之十，物异［M］．北京：中华书局，1981.96 [12]［清］ 张英、王士祯等.渊鉴类函.卷一百九十一、乐部，钟［M］.北京：中国书店,1985.无页码． [13]［清］ 王士祯，池北偶谈．卷二十二．谈异三．地震［M］．北京：中华书局，1982.523 [14]［清］ 张英、王士祯等．渊鉴类涵．卷二百七十八．人部．博物［M］．北京：北京市中国书店，1985.无页码． [15]［清］ 徐珂.清稗类钞.第五册.工艺类［M］．北京:中华书局，1984.2417 [16]［清］ 平步清.霞外捃屑.卷二［M］．上海:上海古籍出版社，1980.159 [17] 百子全书.第五册. 墨子.备城门第五十二［M］．杭洲:浙江人民出版社,1984 [18]［北宋］ 沈括.梦溪笔谈.卷十九.器用［M］．北京: 团结出版社 ,1996.219 [19] 百子全书.第五册.墨子.经下第四十一［M］．杭洲:浙江人民出版社, 1984 [20] 百子全书.第五册. .墨子.经说下第四十三［M］．杭洲:浙江人民出版社, 1984 [21]［北宋］ 沈括.梦溪笔谈.卷三.辩证一［M］．北京: 团结出版社 ,1996.21 [22]［清］ 何薳.春渚记闻.卷第九.记砚［M］．北京；中华书局,1983.142 [23]［清］ 张英.王士桢.渊监类函.卷第三百八十四.器物部.杯［M］．北京:中国书店，1985 |
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