中國(guó)古代的物理知識(shí)
中國(guó)古代的物理知識(shí)
中國(guó)古代的許多著作都涉及到了物理知識(shí)。小編在這里整理了相關(guān)知識(shí)，快來(lái)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧!
中國(guó)古代的物理知識(shí)
《墨經(jīng)》
《墨經(jīng)》是墨家學(xué)派的著作，也是他們進(jìn)行私學(xué)教育的教材?！赌?jīng)》中有關(guān)物理知識(shí)的內(nèi)容，主要是在力學(xué)和光學(xué)方面。
力學(xué)方面
《墨經(jīng)》中對(duì)時(shí)間和空間概念分別作了正確的定義。如“久，彌異時(shí)也”?！坝睿瑥洰愃病?。就是說(shuō)，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。”“時(shí)，或有久，或無(wú)久。始，當(dāng)無(wú)久?！本褪钦f(shuō)，時(shí)間可分為“持續(xù)(有久)的”和“非持續(xù)(無(wú)久)的”，即瞬時(shí)的兩種?！伴_始”則屬于“無(wú)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)徒也”。意思是說(shuō)，運(yùn)動(dòng)乃是物體空間位置的變動(dòng)。
《墨經(jīng)》中對(duì)力的概念提出了初步的論述?！傲?，刑(形)之所以?shī)^也?！奔词钦f(shuō)，力是使物體開始運(yùn)動(dòng)或加快運(yùn)動(dòng)的原因。《墨經(jīng)》中還進(jìn)一步把重量與力聯(lián)系了起來(lái)，“力，重之謂。下與(舉)，重，奮也”。顯然它指出了物體的重量也是一種力。并說(shuō)明物體下落或向上舉時(shí)，都有力的作用。墨家以桔槔和秤的工作原理為例，總結(jié)了杠桿的工作原理，提出了“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?！奔锤軛U的平衡，不但取決于兩物的重量，還與“本”、“標(biāo)”的長(zhǎng)短有關(guān)?？梢娔乙阎懒丝梢杂脙煞N方法來(lái)調(diào)節(jié)杠桿的平衡，并已進(jìn)行了杠桿原理的探討。
墨家還敘述了斜面上的物體失去平衡的道理，以及利用斜面來(lái)提升重物的方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種裝著滑輪的前低后高的斜面車，稱為“車梯”，用來(lái)載重物沿斜面不斷升高，以節(jié)省人力。
光學(xué)方面
《墨經(jīng)》從早就被人們認(rèn)識(shí)的光的直線傳播原理出發(fā)，首先提出了影與光、物之間的關(guān)系。如“景不徙，說(shuō)在改為?！本褪钦f(shuō)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)而使影改變位置的緣故。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(shuō)在重。”“景之大小，說(shuō)在迆正、遠(yuǎn)近。”這兩句分別是說(shuō)，兩種陰影區(qū)之所以形成，是由于兩個(gè)光源的光線照射到同一物體上，在物體后面產(chǎn)生的兩個(gè)陰影區(qū)互相重疊的結(jié)果。同一物體之影所以會(huì)有時(shí)大有時(shí)小，是由于光線照射于該物體有時(shí)斜、有時(shí)正，以及光源離物體有時(shí)遠(yuǎn)、有時(shí)近的緣故。又如“景倒，在午有端，與景長(zhǎng)，說(shuō)在端”，指出了小孔成像之所以倒立，是由于光線在小孔處交叉，至于像的長(zhǎng)短，則與小孔的位置有關(guān)。并進(jìn)一步說(shuō)“光之人照若射。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解釋了小孔成像的原因。
《墨經(jīng)》還介紹了平面鏡成像，敘述了凹面鏡、凸面鏡成像的規(guī)律，如“低，景一小而易，一大而正，說(shuō)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)正立放大的虛像，原因是由于人在球面中心和焦點(diǎn)之外還是之內(nèi)。又如“團(tuán)，景一?！奔次矬w不管離凸面鏡的距離遠(yuǎn)近如何，凸面鏡只可以生成一個(gè)正立縮小的虛像。可見，墨家私學(xué)不僅相當(dāng)系統(tǒng)地研究和傳授了幾何光學(xué)方面的知識(shí)，得出了精辟的見解和結(jié)論，而且在研究和傳授中已運(yùn)用了觀察、分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法。
此外，墨翟曾在地下設(shè)甕，利用共鳴現(xiàn)象，探查敵方挖洞攻城的計(jì)謀。到宋代曾公亮，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。
《考工記》
《考工記》是春秋戰(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)規(guī)范的匯集。全書所論包括了當(dāng)時(shí)手工業(yè)的主要工種，并在論述各種手工技術(shù)的同 時(shí)，還闡述了其科學(xué)道理。經(jīng)分析可以看到在描述每一項(xiàng)手工技術(shù)的文字中都包含了一定的物理知識(shí)，其中主要是力學(xué)和熱學(xué)方面。
力學(xué)方面。
《考工記·輪人篇》在論述車輪制造時(shí)，以受力、運(yùn)動(dòng)和不同接觸地面的影響等因素出發(fā)，在講到輪子的形狀與運(yùn)動(dòng)快慢之間的關(guān)系時(shí)說(shuō)：“凡察車之道……不微至，無(wú)以為速也”?！拔⒅痢笔侵篙喓偷孛娴慕佑|面積少。就是說(shuō)，車輪與地面接觸少，就容易轉(zhuǎn)得快。那么，怎樣才能達(dá)到“微至”呢?它接著指出：“欲其微至也，無(wú)所取之，取之圜(圓)。”即要盡量把輪子做成理想圓。這是在實(shí)踐中對(duì)滾動(dòng)物體的滾動(dòng)速度與滾動(dòng)物體的接觸面積大小有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是符合近代摩擦理論的。在論述如何檢驗(yàn)輪子各部分是否做得均勻時(shí)，它說(shuō)：“楺輻必齊，平沈(沉)必均?！薄八员x(視)其平沈之均也?！边@里水之，即浸入水中，如果“平沈”即浮沉相同，則輪子各部分必定是均勻的，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(?；蝰R)的影響時(shí)，它說(shuō)：輪太矮，馬就老在上坡一樣。從現(xiàn)在力學(xué)知識(shí)看，當(dāng)輪太低時(shí)，轅與地面成一角度，馬除了要克服運(yùn)動(dòng)阻力外，要承受部分重力，因此馬總象上坡一樣費(fèi)勁。這是實(shí)踐中對(duì)斜面受力的一種極好的分析。
《考工記》還分析了與彈道有關(guān)的技術(shù)。它在《矢人篇》中說(shuō)：“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?！边@就是說(shuō)，為了要使箭在飛行中保持穩(wěn)定，采取了把箭上的羽毛按一定比例對(duì)稱地安排，然后加上箭頭，則在飛行中就不怕風(fēng)的影響了。接著又說(shuō)：“前弱則俛(俯)，后弱則翔(仰)，中弱則紆(紆絗旋轉(zhuǎn)之意)，中強(qiáng)則揚(yáng)?！薄坝鹭S則遲，羽殺則?！边@說(shuō)明了箭桿如果前輕后重，或前重后輕，都會(huì)影響飛行的高度;中間輕重配置不當(dāng)，會(huì)影響飛行的穩(wěn)定性;羽毛太多，則飛行速度慢。而羽毛太少，則箭容易落向旁側(cè)，射不到目的物。
《考工記》最早作出了關(guān)于物體慣性的論述。在《辀人篇》中說(shuō)：“勸登馬力，馬力既竭，辀尤能一取焉”。意思是說(shuō)，馬拉車的時(shí)候，馬已停止用力了，但車還能前進(jìn)一段路程，這里指出了物體的一種基本屬性慣性，這也是世界上對(duì)慣性現(xiàn)象的最早論述。
熱學(xué)方面
《考工記》中論述的熱學(xué)知識(shí)，是很有實(shí)際意義的。它說(shuō)：“凡鑄金之狀，金(銅)與錫，黑濁之氣竭，黃白次之，黃白之氣竭，青白次之，青白之氣竭，青氣次之。然后可鑄也?！敝赋隽艘睙捊饘贂r(shí)加熱后先呈暗紅色，溫度漸高，依次是呈橙色、黃色、白色、最后是青色。這是因?yàn)榻饘倮锖刑肌⑩c一類的雜質(zhì)，不同物質(zhì)有不同的汽化點(diǎn)，所以可以根據(jù)汽化物質(zhì)的顏色作為判斷火候或溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)，最后達(dá)到“爐火純青”，就可以澆鑄了。這個(gè)從實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的區(qū)別冶煉金屬程度的實(shí)際知識(shí)，傳至今日，仍為冶煉工人所利用。
《論衡》
《論衡》是東漢王充所著，內(nèi)容十分豐富，其所述的物理知識(shí)，也較之《墨經(jīng)》有十分明顯的充實(shí)和發(fā)展。
力學(xué)方面
王充在對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仔細(xì)觀察的基礎(chǔ)上，在《論衡》中指出了人的視覺(jué)，在觀察物體的運(yùn)動(dòng)快慢時(shí)會(huì)造成錯(cuò)覺(jué)的原因和如何量度物體運(yùn)動(dòng)的快慢。他在《論衡》中說(shuō)：“天行已疾，人去高遠(yuǎn)，視之若遲。蓋望遠(yuǎn)物者，動(dòng)若不動(dòng)，行若不行;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?！闭f(shuō)明是由于觀察者離運(yùn)動(dòng)物體遠(yuǎn)近不同，因而感到它的快慢也就不同了的道理。這也說(shuō)明王充已知道了視角差對(duì)于觀察物體運(yùn)動(dòng)快慢的影響。在關(guān)于運(yùn)動(dòng)的快慢上，又說(shuō)“日晝行千里，夜行千里，麒麟晝?nèi)找嘈星Ю铮粍t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(shuō)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(shuō)：“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(shuō)“古之多力者，身能負(fù)荷千鈞。乎能決角伸鉤，使之自舉。不能離地?！憋@然已不僅知道在外力的作用下，若外力大小一定，則物體越重，要它開始運(yùn)動(dòng)，或使之運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化就越難。這顯然是現(xiàn)在稱之為牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的萌芽，而且還認(rèn)識(shí)到內(nèi)力不能改變物體運(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(wú)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(shuō)：“令人操行變氣遠(yuǎn)近，宜與魚等，氣應(yīng)而變，宜與水均?！笨梢娝颜J(rèn)識(shí)到人發(fā)聲是使空氣振動(dòng)而產(chǎn)生的，并將聲音在空氣中的傳播用可見的水波的傳播來(lái)作了比喻。這種比喻，在今天的物理教學(xué)中，在講光的干涉和衍射時(shí)，不是仍然在運(yùn)用嗎?在這里，還應(yīng)特別予以注意的是王充實(shí)際上已指出了振動(dòng)的傳播要通過(guò)媒質(zhì)。
熱學(xué)方面
《論衡》中有“夫近水則寒，近火則溫，遠(yuǎn)之漸微，何則?氣之所加，遠(yuǎn)近有差也?！薄霸旗F，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?！边@些論述可以說(shuō)明，王充不僅用“氣”來(lái)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)行了研究，指出了它們都是地面上的水蒸發(fā)所致，所以實(shí)質(zhì)上他已進(jìn)入了物態(tài)與溫度之間的關(guān)系的研究?？梢?，王充對(duì)熱現(xiàn)象的觀察和分析是十分細(xì)致深入的，這種運(yùn)用觀察、分析的方法對(duì)現(xiàn)在的物理教學(xué)和科學(xué)研究，都有指導(dǎo)意義。
電磁方面
關(guān)于摩擦起電的現(xiàn)象，西周末年已有“玳瑁吸褡”的記載。(玳瑁是一種跟龜極相似的海生爬行動(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?！边@里頓牟即玳瑁，王充用氣性相同，也就是性質(zhì)相同來(lái)解釋上述相互吸引的現(xiàn)象，和氣性不同，即性質(zhì)不同來(lái)解釋別類物體不能“感動(dòng)”的原因。
對(duì)于“雷電”現(xiàn)象：“夫雷之發(fā)動(dòng)，一氣一聲也?！奔床贿^(guò)是一種氣和一種聲而已。那么，為什么會(huì)有聲呢?他以“人傷于寒，寒氣入腹，腹中素溫，溫寒分爭(zhēng)，激氣雷鳴?！睘橛?，認(rèn)為是不同的氣相互激發(fā)出來(lái)的?？梢姡醭湔J(rèn)識(shí)到雷電也是物質(zhì)的，也是自然界的一種變化現(xiàn)象。
運(yùn)用力學(xué)原理的創(chuàng)造發(fā)明渾天儀與地動(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)根據(jù)物理的力學(xué)原理先后制成的。它們分別在天象和地震觀察上發(fā)揮了作用。漏水運(yùn)轉(zhuǎn)渾天儀是一臺(tái)自動(dòng)測(cè)示天象的儀器，它以一空心銅球表示天球，天球畫有星座和黃道、赤道，緊附在天球外的有地平環(huán)和子午環(huán)等，天球可以支架在子午環(huán)上繞天軸轉(zhuǎn)動(dòng)。另外把計(jì)量時(shí)間的漏壺與渾象聯(lián)系起來(lái)，即利用漏壺的等時(shí)性，以漏壺漏出的水為原動(dòng)力，再通過(guò)渾象內(nèi)部裝置的齒輪等使傳動(dòng)和控制設(shè)備，以使渾象每日均勻地繞天軸旋一周從而達(dá)到自動(dòng)地、近似正確地演示天象的目的。候風(fēng)地動(dòng)儀以精鋼制成，形似酒尊，里面均勻排列八根“都柱”上粗下細(xì)的立柱。由于都柱重心高，當(dāng)?shù)孛嬉挥姓饎?dòng)，就極容易向震動(dòng)方向倒下。尊外相應(yīng)地設(shè)置八條口含小銅球的龍，每個(gè)龍頭下面都有一只蟾蜍，昂首張口。當(dāng)某一都柱倒下時(shí)，就帶動(dòng)了連接的龍，使龍口張開，所含的銅球落下到其下面的蟾蜍口中。因此觀察落下的銅球的方位，就可判斷地震發(fā)生的方向。
《夢(mèng)溪筆談》
《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》這一舉世聞名的科學(xué)巨著，內(nèi)容涉及領(lǐng)域十分廣闊。在物理知識(shí)方面，主要是生動(dòng)地記述了磁學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)知識(shí)。
磁學(xué)方面
早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)發(fā)現(xiàn)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(lái)等試驗(yàn)，并且進(jìn)行比較，指出了它們各自的特點(diǎn)，這可以說(shuō)是世界上關(guān)于指南針的最早實(shí)驗(yàn)記錄。同時(shí)其實(shí)驗(yàn)方法也十分巧妙。例如，他是如何把指南針懸掛起來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的呢?“其法取新紆中獨(dú)繭絲，以芥子許蠟綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南”。這種指南針的實(shí)驗(yàn)方法在今天看來(lái)，仍不失為是值得仿效的較好方法。
更可欽佩的是，《夢(mèng)溪筆談》上還指出了“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也?！闭f(shuō)明沈括在實(shí)驗(yàn)中已發(fā)現(xiàn)了磁偏角。西方一般認(rèn)為哥倫布在1492年遠(yuǎn)渡大西洋時(shí)首先觀測(cè)到磁偏角，實(shí)際上沈括的發(fā)現(xiàn)要比哥倫布早400多年。
光學(xué)方面
在《夢(mèng)溪筆談》中，有許多光學(xué)方面的觀察和實(shí)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實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證月亮圓缺的科學(xué)道理。其中說(shuō)：“如一彈丸，以粉涂其半，側(cè)視之，則粉處如鉤，對(duì)視之，則正圓?！痹谠摃羞€除了通俗地講凹面鏡成像和針孔成像的道理，對(duì)光的直線傳播、光的折射現(xiàn)象和虹的形成進(jìn)行了研究和解釋以外，還曾認(rèn)真地作過(guò)凹面鏡成像的實(shí)驗(yàn)，得到了較《墨經(jīng)》前進(jìn)一步的結(jié)果。如：“陽(yáng)燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠(yuǎn)則無(wú)所見，過(guò)此遂倒?！边@里所謂“過(guò)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”。這就明確地指出了物在凹面鏡焦點(diǎn)之內(nèi)時(shí)得正像，在焦點(diǎn)和中心之間看不到像，而在中心之外時(shí)得倒像。
《夢(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。透光鏡可能在西漢時(shí)代已能制作，最早記載于隋唐之際王度的《古鏡記》中，該書說(shuō)透光鏡“承日照之，則背上文、畫、墨入影內(nèi)，纖毫無(wú)失”。對(duì)于這種現(xiàn)象歷來(lái)引起人們的注意，沈括對(duì)它的制造工藝和原理作了探討，他說(shuō)：“此為鑄時(shí)薄處先冷，唯背文差厚，后冷而銅縮多，文雖在背，而鏡面隱然有跡，所以于光中現(xiàn)?！边@個(gè)解釋表明，由于鏡背圖案花紋，致使整個(gè)鏡子厚薄不勻，因此在鑄造時(shí)厚薄不同，冷卻有先后，后冷而銅縮多，造成鏡面也有和背面圖案相同的微小的凹凸花紋，在它反射光線時(shí)就顯現(xiàn)出來(lái)了。一句話，就是鏡面的銘文是由于銅的收縮有差別所造成的。
據(jù)近來(lái)的中外研究，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，較一致的看法，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)知識(shí)，包括關(guān)于樂(lè)律，古樂(lè)鐘的發(fā)聲，古琴的制作和傳聲、共鳴等等，并記載了一個(gè)作者精心設(shè)計(jì)的共振實(shí)驗(yàn)。由于弦振動(dòng)比較微弱，不易觀察，他剪了一些紙人放在弦上來(lái)做試驗(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(lái)演示共振現(xiàn)象要早約6個(gè)世紀(jì)。還值得指出的是，沈括的這個(gè)用簡(jiǎn)單的儀器來(lái)證明弦線的基音與泛音共振關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，形象十分生動(dòng)，若用于教學(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)知識(shí)廣泛應(yīng)用于樂(lè)器的調(diào)、制以外，他還用來(lái)科學(xué)地解釋生活中與此有關(guān)的種.種現(xiàn)象，例如他在《夢(mèng)溪筆談》中記載了他在行軍時(shí)應(yīng)用的聲學(xué)知識(shí)。他寫道：“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?！鄙蚶ǖ倪@種注重知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于我們今天進(jìn)行物理教育，也是值得借鑒的。
《草象新書》
《草象新書》是我國(guó)古代突出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家趙友欽(1279—1368)所著。他在書中對(duì)光學(xué)現(xiàn)象作了比較深入的研究和詳細(xì)的描述，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小孔成像的研究，指出了小孔成像的規(guī)律。
從實(shí)驗(yàn)知道，光通過(guò)小孔時(shí)，不論孔的形狀如何，屏上得到的光斑總是發(fā)光物的像。當(dāng)孔相當(dāng)大時(shí)，則屏上得到的光斑形狀隨孔的形狀而定，孔方則方，孔圓則圓。他對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋是“罅小則不足容日月之體，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(shuō)明了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)完備的實(shí)驗(yàn)(趙友欽實(shí)驗(yàn)圖見插頁(yè)圖7)。他把一個(gè)二層樓房作為實(shí)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米(四尺)的圓井，右邊井深約1.33米(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，在左井桌上和右井井底各放一塊密插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)。他的這些設(shè)計(jì)都是有道理的。例如他用相鄰兩個(gè)房間而樓板開孔不同，就是為了對(duì)比;他把作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;樓板上孔是較小的方形，可以看到出現(xiàn)的像是圓形，證明像的形狀與小孔的形狀無(wú)關(guān)，只是孔較大的較明亮，孔較小的較暗淡。但光源的形狀如果改變，像的形狀也要改變，例如，熄滅一半蠟燭，光源變?yōu)橐话雸A形時(shí)，像也缺了一半，燭盤缺左半，像缺右半;燭盤缺右半，像缺左半，證明小孔成的像是倒像。如果撤去左井內(nèi)小桌，把燭盤放在井底，也就是增大了光源與小孔的距離(物距)，則天花板上的像就縮小，而亮度卻增加了。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是考慮得很周密的。
經(jīng)過(guò)一系列的周密的觀察實(shí)驗(yàn)以后，趙友欽指出：“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)勝負(fù)，皆所當(dāng)論者也?！壁w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)行上述小孔成像的研究中，采用的那種實(shí)驗(yàn)步驟，即只改變孔的大小;只改變光源的形狀;只改變像距;只改變物距;只改變孔在物、像間的位置，即同時(shí)改變像距和物距等等，都是確定一個(gè)因素作為研究對(duì)象，而將其他因素控制不變的實(shí)驗(yàn)方法，至今仍為物理教學(xué)廣泛采用。
聲學(xué)效應(yīng)在樂(lè)律上的運(yùn)用十二平均律
近代樂(lè)器上用的新律制十二平均律，是明代樂(lè)律理論家朱載堉(公元1536—1610)提出和創(chuàng)造的。在我國(guó)，早在周初，就有了在一個(gè)音階中確定的十二個(gè)律，并在十二律中選取五個(gè)或七個(gè)音組成一個(gè)音階的樂(lè)制。大約在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)開始使用定律調(diào)音的三分損益法，來(lái)確定管或弦的長(zhǎng)短和發(fā)音高低之間的關(guān)系(見《管子·地員篇》)。這種方法就是從一個(gè)被認(rèn)定為基音的弦(或管)的長(zhǎng)度出發(fā)，把它三等分，再去掉一份(“損一”)或加上一份(“益一”)，以此來(lái)確定另一個(gè)音的長(zhǎng)度。在數(shù)學(xué)上，就是把發(fā)音的弦長(zhǎng)乘以2/3或4/3，以此類推下去，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)8度的音只能的高(或低)一倍，而不能剛好一倍，這樣就不能真正組成一個(gè)完整的8度，為了消除這個(gè)差數(shù)，達(dá)到對(duì)音樂(lè)藝術(shù)更高的要求，自漢代以來(lái)，不少音律樂(lè)家提出過(guò)許多修正的方法，但都不能得到簡(jiǎn)單、合理而又精確的結(jié)果。朱栽堉于1584年以公比的等比級(jí)數(shù)分配音律，使一個(gè)音階中任何兩個(gè)相鄰音律之間的公比都是，或音程為100音分，從而徹底消除了三分損益法出現(xiàn)的差數(shù)。朱栽堉的這種科學(xué)地運(yùn)用聲學(xué)效應(yīng)的革命性變革，極有利于曲調(diào)的創(chuàng)作和樂(lè)器的制作，具有很高的科學(xué)性和實(shí)用價(jià)值。
十二平均律的提出，在我國(guó)物理學(xué)的研究和音樂(lè)教學(xué)中，具有特別重要的意義，這就是從物理現(xiàn)象的定性討論進(jìn)入定量的數(shù)學(xué)計(jì)算，這在我國(guó)古代物理學(xué)的研究中是一項(xiàng)創(chuàng)舉，而且與西歐比較起來(lái)，也早于法國(guó)約50年。因此，當(dāng)這項(xiàng)發(fā)明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)。
《正蒙》和《正蒙注》
我國(guó)古代在尋求物質(zhì)組成的規(guī)律時(shí)，也曾反映了樸素的物質(zhì)不連續(xù)性和物質(zhì)最小單位不可分割的思想。例如《墨經(jīng)》中說(shuō)：“端，體之無(wú)厚而最前者 也”，“端，無(wú)間也”。即認(rèn)為“端”是物的起始，把物體分割到“無(wú)厚”，便達(dá)到處于最前(即分割到最后)的質(zhì)點(diǎn)。端是最基本的東西，最基本的東西是無(wú)間隙的。這可以說(shuō)是原子論的萌芽。但是這種“原子論”的觀點(diǎn)，后來(lái)沒(méi)有得到多少發(fā)展。與此類似的是早在古希臘時(shí)代，西方就認(rèn)為原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本粒子。這種 觀點(diǎn)經(jīng)過(guò)了好幾個(gè)發(fā)展階段，到19世紀(jì)初，英國(guó)道爾頓建立了化學(xué)原子論，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，一直沒(méi)有放棄元?dú)獾挠^點(diǎn)，直到現(xiàn)代，西方物理學(xué)家認(rèn)為中國(guó)的元?dú)鈱W(xué)說(shuō)、提出了物質(zhì)組成連續(xù)性的觀點(diǎn)是極為寶貴的，這里對(duì)其中比較有代表性的張載、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)庾匀徽摰幕A(chǔ)上，提出了“元?dú)獗倔w論”，他認(rèn)為宇宙萬(wàn)物的本源是物質(zhì)性的“氣”，并進(jìn)而引入了“聚”和“散”的概念，以說(shuō)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》。在該書中他提出了“太虛即氣”的觀點(diǎn)。他說(shuō)：“太虛無(wú)形，氣之本體。其聚其散，變化之客形爾?！本褪钦f(shuō)，元?dú)獾木酆戏稚?，都是暫時(shí)現(xiàn)象(客形)，而不是永久不變的。一切自然現(xiàn)象，變化無(wú)窮，都 可以用氣來(lái)解釋。所以“有無(wú)、隱顯、神化、性命、通一無(wú)二?！彼鞔_地指出了所有自然現(xiàn)象是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化。并舉例說(shuō)：“氣之聚散于太虛，猶冰之凝釋于 水。”說(shuō)明“知太虛即氣，則無(wú)‘無(wú)’”的道理。意思是說(shuō)，如果知道了太虛即氣，則氣到處都存在，沒(méi)有所謂“無(wú)”了。當(dāng)然更不會(huì)有“無(wú)中生有”的唯心觀點(diǎn)了。他又說(shuō)：“動(dòng)必有機(jī)，既謂之機(jī)，則動(dòng)非自外也。”更一步指出了事物變化的原因在于事物的內(nèi)部。
張載在闡述事物的運(yùn)動(dòng)變化時(shí)，又引進(jìn)了事物對(duì)立統(tǒng)一的觀念。他說(shuō)：“兩不立，則一不可見，一不可見，則兩之用息?！边@是因?yàn)槿魏我晃锟偸怯刑搶?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，欲一之而不能?！?《正蒙·參兩》)由此可見，張載已認(rèn)識(shí)到自然界中總存在正、反兩個(gè)方面，一切自然變化，無(wú)非是正反兩方面相互斗爭(zhēng)、運(yùn)動(dòng)變化的結(jié)果。這里顯然包含了物質(zhì)轉(zhuǎn)化思想的萌芽。
明代王夫之(1619—1692)又把張載的“元?dú)獗倔w論”的思想作了進(jìn)一步的發(fā)展。他在《張子正蒙記》中指出：“虛空者氣之量，氣彌論無(wú)涯而 希微不形，則人見空虛而不見氣。凡虛空皆氣也。聚則顯，顯則人謂之有，散則隱，隱則人謂之無(wú)。”其中凡“虛空皆氣”與張載所說(shuō)“太虛即氣”是一樣的意思。
王夫之還從“元?dú)獗倔w論”出發(fā)，提出物轉(zhuǎn)變而不滅的思想。在《正蒙注》中“散亦吾體，聚亦吾體?！币馑季褪菤庵挥芯凵?，沒(méi)有生滅，元?dú)馐怯篮愕?。他舉了三個(gè)明顯的實(shí)例加以闡述：一個(gè)是“車薪”之火，一烈而盡，而為焰，為煙，為燼，木者仍歸木水者仍歸水，土者仍歸土，特細(xì)微而人不見爾。”二是“一甑之炊，濕熱之氣，蓬蓬勃勃，必有所歸;若蓋嚴(yán)密，則郁而不散。”三是“汞見火則飛，不知何往，而究歸于地”。這就是說(shuō)汞燃燒后，蒸汽散發(fā)，終究要落 到地上，不會(huì)消失。這些例子充分說(shuō)明了“形”是可生可滅的，但“形”的生滅不過(guò)是“形”與“氣”的相互轉(zhuǎn)化而已。由此不難看出，王夫之已確立了自然界物質(zhì)不可創(chuàng)造、不可消滅的守恒思想了。上述例子，在今天的物理教學(xué)中，仍有可用之處。
在中國(guó)古代“元?dú)庹摗钡陌l(fā)展過(guò)程中，應(yīng)予特別指出的是：它從一開始就堅(jiān)持了物質(zhì)的統(tǒng)一性，并按從一般到個(gè)別的模式，去考察各種具體的規(guī)律和作用。這種從總體、辨證、綜合和動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)，統(tǒng)一去觀察世界的認(rèn)識(shí)路線，在當(dāng)前科學(xué)發(fā)展中具有新的意義;“元?dú)庹摗敝械摹霸獨(dú)狻保鄱伞靶巍?，而“形”這種不連續(xù)的物質(zhì)，要散而為“氣”。這種元?dú)饩凵?、氣形相互轉(zhuǎn)換的思想，不僅較之古希臘的“原子論”所揭露和描繪的自然界的客觀變化要豐富、深刻得多，而且其涉及到的連續(xù)和不連續(xù)的對(duì)立統(tǒng)一的物質(zhì)觀，也將在很大程度上影響今后物理學(xué)的研究。
高中力學(xué)物理學(xué)史與物理學(xué)思想方法
一、力學(xué)：
1.1638年，意大利物理學(xué)家伽利略在《兩種新科學(xué)的對(duì)話》中用科學(xué)推理論證重物體不會(huì)比輕物體下落得快;他研究自由落體運(yùn)動(dòng)程序如下：
提出假說(shuō)：自由落體運(yùn)動(dòng)是一種對(duì)時(shí)間均勻變化的最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng);
數(shù)學(xué)推理：由初速度為零、末速度為v的勻變速運(yùn)動(dòng)平均速度和得出;再應(yīng)用從上式中消去v，導(dǎo)出即。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：由于自由落體下落的時(shí)間太短，直接驗(yàn)證有困難，伽利略用銅球在阻力很小的斜面上滾下，上百次實(shí)驗(yàn)表明：;換用不同質(zhì)量的小球沿同一斜面運(yùn)動(dòng)，位移與時(shí)間平方的比值不變，說(shuō)明不同質(zhì)量的小球沿同一斜面做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情況相同;不斷增大斜面傾角，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得出該比值隨斜面傾角的增大而增大，說(shuō)明小球做勻變速運(yùn)動(dòng)的加速度隨斜面傾角的增大而變大。
合理外推：把結(jié)論外推到斜面傾角為90°的情況，小球的運(yùn)動(dòng)成為自由落體，伽利略認(rèn)為這時(shí)小球仍保持勻變速運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。(用外推法得出的結(jié)論不一定都正確，還需經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)
伽利略對(duì)自由落體的研究，開創(chuàng)了研究自然規(guī)律的一種科學(xué)方法。
2、1654年，德國(guó)的馬德堡市做了一個(gè)轟動(dòng)一時(shí)的實(shí)驗(yàn)——馬德堡半球?qū)嶒?yàn);
3、1687年，英國(guó)科學(xué)家牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》著作中提出了三條運(yùn)動(dòng)定律(即牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律)。
4、17世紀(jì)，伽利略通過(guò)構(gòu)思的理想實(shí)驗(yàn)指出：在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體若沒(méi)有摩擦，將保持這個(gè)速度一直運(yùn)動(dòng)下去;得出結(jié)論：力是改變物體運(yùn)動(dòng)的原因，推翻了亞里士多德的觀點(diǎn)：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。
同時(shí)代的法國(guó)物理學(xué)家笛卡兒進(jìn)一步指出：如果沒(méi)有其它原因，運(yùn)動(dòng)物體將繼續(xù)以同速度沿著一條直線運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)停下來(lái)，也不會(huì)偏離原來(lái)的方向。
5、英國(guó)物理學(xué)家胡克對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)：胡克定律;經(jīng)典題目：胡克認(rèn)為只有在一定的條件下，彈簧的彈力才與彈簧的形變量成正比(對(duì))
6、1638年，伽利略在《兩種新科學(xué)的對(duì)話》一書中，運(yùn)用觀察-假設(shè)-數(shù)學(xué)推理的方法，詳細(xì)研究了拋體運(yùn)動(dòng)。
17世紀(jì)，伽利略通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)法指出：在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體若沒(méi)有摩擦，將保持這個(gè)速度一直運(yùn)動(dòng)下去;同時(shí)代的法國(guó)物理學(xué)家笛卡兒進(jìn)一步指出：如果沒(méi)有其它
原因，運(yùn)動(dòng)物體將繼續(xù)以同速度沿著一條直線運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)停下來(lái)，也不會(huì)偏離原來(lái)的方向。
7、人們根據(jù)日常的觀察和經(jīng)驗(yàn)，提出“地心說(shuō)”，古希臘科學(xué)家托勒密是代表;而波蘭天文學(xué)家哥白尼提出了“日心說(shuō)”，大膽反駁地心說(shuō)。
8、17世紀(jì)，德國(guó)天文學(xué)家開普勒提出開普勒三定律;牛頓于1687年正式發(fā)表萬(wàn)有引力定律;1798年英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許利用扭秤裝置比較準(zhǔn)確地測(cè)出了引力常量(體現(xiàn)放大和轉(zhuǎn)換的思想);
9、1846年，英國(guó)劍橋大學(xué)學(xué)生亞當(dāng)斯和法國(guó)天文學(xué)家勒維烈(勒維耶)應(yīng)用萬(wàn)有引力定律，計(jì)算并觀測(cè)到海王星，1930年，美國(guó)天文學(xué)家湯苞用同樣的計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)冥王星。
10、我國(guó)宋朝發(fā)明的火箭是現(xiàn)代火箭的鼻祖，與現(xiàn)代火箭原理相同;但現(xiàn)代火箭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其所能達(dá)到的最大速度主要取決于噴氣速度和質(zhì)量比(火箭開始飛行的質(zhì)量與燃料燃盡時(shí)的質(zhì)量比);俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基被稱為近代火箭之父，他首先提出了多級(jí)火箭和慣性導(dǎo)航的概念。多級(jí)火箭一般都是三級(jí)火箭，我國(guó)已成為掌握載人航天技術(shù)的第三個(gè)國(guó)家。
11、1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星;
1961年4月，世界第一艘載人宇宙飛船“東方1號(hào)”帶著尤里加加林第一次踏入太空。
12、20世紀(jì)初建立的量子力學(xué)和愛因斯坦提出的狹義相對(duì)論表明經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀粒子和高速運(yùn)動(dòng)物體。
13.17世紀(jì)荷蘭物理學(xué)家惠更斯確定了單擺的周期公式。周期是2s的單擺叫秒擺。
14.奧地利物理學(xué)家多普勒(1803-1853)首先發(fā)現(xiàn)由于波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象——多普勒效應(yīng)。(相互接近，f增大;相互遠(yuǎn)離，f減少)
選修部分：(選修3-1、3-2、3-3、3-4、3-5)
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