中國古代趣味物理實驗

1、中國古代趣味物理實驗山東省巨野縣第一中學學袁春梅在中國古代, 人們十分重視用實驗去研究物理現(xiàn)象與規(guī)律. 一些實驗構(gòu)思奇特 , 設計巧妙, 在漫長的歲月中經(jīng)受了歷史的考驗, 至今仍然光彩艷麗. 不過 , 物理學在古代不是一門獨立的學科, 其資料散布于各種典籍, 收集起來不容易 . 本文從 “趣味性”角度出發(fā), 從各種典籍中選出一些物理實驗予以介紹,目的在于了解當今趣味物理實驗發(fā)展變化的歷史背景.1 “虛管懸液”實驗唐代王冰注解黃帝內(nèi)經(jīng)素問時指出: “虛管溉滿 , 捻上懸之, 水固不泄,為無升氣而不能降也. ” 意思是 : 用手指捏住空管的一端, 將管中灌滿水后倒過來 , 水不會從管中流出. 因為

2、外面的空氣不能進入管中, 所以管里的水不會流出來 . 這就是“虛管懸液”實驗 , 它證明了大氣壓強的存在. 當管中充滿水后, 空氣不能進入管中. 將管倒過來, 管內(nèi)壓強為水壓, 其值通常小于管外的大氣壓強 , 故水“懸”在管中 . 這個實驗是從“瓶子倒水”實驗演繹過來的 . 早在南北朝的關(guān)尹子一書就已指出: “瓶有二竅 , 水實之則倒瀉, 開一則水不下, 蓋不升則水不降. ”意思是 : 在密封的瓶上開兩個小孔, 瓶中灌滿水, 水就會從瓶中倒出 . 若只在瓶中開一個小孔, 水是倒不出來的. 因為此時空氣不能在瓶中對流 . 很顯然 , 上下兩端開口的瓶子, 下口上面壓強為一個大氣壓加水壓, 下面壓

3、強是一個大氣壓, 這種情況下水會從下口流光. 但將瓶的上口封住時, 水向下滴落一點點后, 瓶內(nèi)氣體體積增大, 壓強減小, 當瓶內(nèi)氣壓減小量與瓶中水柱產(chǎn)生的壓強相等時( 有時只要水的下表面向外凸出一點點就行) , 水就不會流出來了 . 該實驗 , 常有教師在講到大氣壓作用時, 用“試管履行”來演示 .2 “瓶子喝水”實驗宋代俞琰(12581314)所寫的席上腐談一書：“劇燒片紙納空瓶，急覆于銀盆水中, 水皆涌入瓶, 而銀瓶鏗然有聲, 蓋火氣使之然也. 又依法放入壯夫腹上, 挈之不墜. ”這段話的意思是 : 將劇烈燃燒著的紙片放入空瓶里,迅速把瓶倒扣在裝有水的銀盆中, 水就會涌進瓶里, 并且鏗然有

4、聲. 因為紙片的燃燒使瓶中空氣減少, 待瓶內(nèi)空氣冷卻后壓強降低的緣故. 按這種辦法把瓶扣在人腹上, 瓶子會吸住腹肌而不墜落. 很明顯 , 紙在瓶中燃燒, 瓶內(nèi)空氣膨脹,空氣從瓶中 “跑” 掉一部分. 把瓶扣在水中, 氧氣燃盡, 火焰也就熄滅, 此時瓶內(nèi)溫度降低, 壓強減小, 瓶外空氣壓迫盆里的水涌入瓶中. 記載中盡管沒有說明這是大氣壓作用的緣故, 但能指出“蓋火氣使之然”, 這在當時已是了不起的事情 . 古代記載大氣作功的實驗有許多, 還在先秦時期, 我國就用 “角法” （ 今 “拔罐療法” ） 治病了 , 可見“瓶子喝水”實驗并不“年青”. 當今人們選擇泡菜壇子 , 先在壇外溝槽中倒水, 然

5、后把燃燒的紙片丟進壇中, 蓋上壇蓋, 看溝槽中水是否被吸入蓋內(nèi)或壇腹, 以此判別壇子是否漏氣. 其檢測原理就是“瓶子喝水”的實驗原理 .3 “紙人共振”實驗北宋科學家沈括（10311095）在夢溪筆談中指出：“欲知其應者，先調(diào)諸弦令聲和, 乃剪紙人加弦上, 鼓其應弦, 則紙人躍, 他弦即不動. ” 沈括的意思是 : 要想知道某一根弦的應弦, 可以先把各條弦的音（ 依五音聲階） 調(diào)準 ,然后剪紙人放在這根弦上. 這樣一彈它的應弦, 紙人就會跳動, 彈其他弦, 紙人則不動.這就是著名的“紙人共振”實驗 . 所謂共振, 是指一個物體振動的時候,另一個物體也隨著振動的現(xiàn)象. 發(fā)生共振的兩個物體, 它們

6、的固有頻率一定相同或成簡單的整數(shù)比. 如彈動“哆”弦 , 別的“哆”弦也動 , 彈動“咪”弦 ,別的“咪”弦也動 . 其實 , 早在沈括以前, 就已經(jīng)有人做過“瑟弦相應”實驗 ,戰(zhàn)國時莊子（前365前286）在他的著作中就提到一個叫魯遽的人：“為之調(diào)瑟 , 廢 （置 ）于一堂 , 廢于一室, 鼓宮宮動鼓角角動, 音律同矣 . ”只不過“紙人共振”實驗更為直觀和有趣罷了 .4 “銅甕雷鳴”實驗西漢劉安（前179前122）在淮南萬畢術(shù)中云：“銅甕雷鳴.”其注曰 : “取沸湯置甕中 , 堅塞之 , 內(nèi)于井中, 則作雷鳴, 聞數(shù)十里. ”意思是 :把開水倒進銅甕里（ 但勿倒?jié)M） , 將銅甕密封后丟入井

7、中, 聲似雷鳴, 數(shù)十里也能聽到 . 銅甕怎能 “雷鳴” ? 原因可能有兩種: 第一 , 銅甕在下沉過程中, 甕內(nèi)水面之上蒸氣遇冷降溫凝結(jié), 壓強減低, 水的沸點隨之降低, 水再次沸騰作響;第二 , 若甕壁極薄, 當甕內(nèi)壓強降低時, 受大氣壓加水壓的作用, 銅甕向內(nèi)破裂 , 造成爆炸, 聲似雷鳴. 上述兩種現(xiàn)象, 都是通過空氣冷凝的方法達到做功的目的 . 現(xiàn)中學用鐵皮盒替代銅甕演示上述第2 種現(xiàn)象 , 實驗時因條件限制不在水中而在空氣中進行. 若演示上述第1 種現(xiàn)象 , 則是將燒瓶內(nèi)水燒開后稍冷卻 , 再在瓶外澆冷水降溫減壓來實現(xiàn).5 “循煙燃燭”實驗姜岌在續(xù)古文苑一書中介紹了一個有趣的實驗:

8、 “今燃一燭在上 , 一燭在下 , 滅下燭使煙相當, 則上燭之炎, 循煙而下, 燃下燭矣. 此類相從也. ”意思是 : 現(xiàn)在讓我們點燃兩支蠟燭, 一支放在上面, 一支放在下面, 將下燭的火焰吹滅, 使它產(chǎn)生的煙霧（ 即蠟燭燃燒時產(chǎn)生的蠟蒸氣） 正好對著上燭的火焰.此時 , 上燭的火焰會沿下燭煙霧傳遞過來把下燭點燃. 這是因為固態(tài)的蠟燭和氣態(tài)的蠟蒸氣都屬于同一種物質(zhì). 在中學物理實驗活動課中, 常演示“空中飛火” 、 “火外生枝”兩個實驗 , 它們是從“循煙燃燭”中派生出來的 .6 “首澤浮針”實驗淮南萬畢術(shù)云: “首澤浮針 . ”其注云 : “取頭中垢 , 以涂塞其孔,置水即浮.”張岱（159

9、71667以后）在夜航船中指出：“取頭垢涂針, 及塞針孔, 水上自浮. ” 上述兩種解釋, 前一種僅指出用頭垢涂塞針孔, 后一種則還指出應將頭垢涂針. 其實 , 將頭垢涂針才是最重要的. 通常 , 將密度大于水的物體放在水中, 它會沉入水底, 因為此時物體所受重力大于水對它的浮力.但由于液體具有表面張力, 如果把像繡花針那樣小的物體小心地投放水面, 針也能由于水的浮力以及表面張力的作用而不沉下. 取頭垢涂針, 把針平放在水面上 , 因針表面有油脂（ 頭垢 ） , 針與水之間的接觸角增大, 實驗更容易成功.7 “水中游蝌”實驗宋代蘇軾（10371101）在物類相感志中寫到：“獐腦黃蠟和勻染黑，投

10、水中作蝌蚪, 自然水中走動. 但欲潔凈, 用了油手指則住. ”這個實驗中的“獐腦”應為“樟腦”（ 萘 ） . 蘇軾曾在格物粗談介紹過“浮水金丹”實驗 :“樟腦、銀珠搗為餅 , 入水 , 即游走 . ”這個實驗與“水中游蝌”相似 . “盆中 行船” 實驗 , 與水中游蝌也有相似處, 對了解 “水中游蝌”實驗原理會有幫助.用保安刀片將泡沫塑料或木片削制一個約3 cm 長的小船, 在船尾切一個“V”形切口，在"V'形切口中嵌入一片小肥皂，將小船放入倒?jié)M水的盆中，小船會 自動向前航行. 這是一個利用水表面張力做功的實驗, 肥皂在船尾慢慢溶化,使小船后面水的表面張力系數(shù)慢慢減小, 所以

11、船頭水的拉力大于船尾水的拉力,船緩緩向前移動.8 “雞子舉飛”實驗淮南萬畢術(shù)云: “艾火令雞子飛 . ”這是一個很有趣的實驗 , 但因記載簡單，很難確定其實驗原理與方法.太平御覽方術(shù)部引注云：“取雞 子去其汁, 然艾火 , 納空卵中, 疾風因舉之飛. ” 宋朝蘇軾在物類相感志中云 : “雞子開小竅 , 去黃白了, 入露水 , 又以油紙糊了, 日中曬之, 可以自升起 , 離地三四尺. ” 按 太平御覽引注 , 這個實驗利用了熱空氣的密度小于冷空氣的密度, 熱空氣在冷空氣中能夠上升的原理, 但實驗不能成功, 這倒不是該實驗原理不對, 而在于蛋殼體積太小, 艾在燃燒時殼內(nèi)排出的空氣重力無法令雞子 “

12、舉”. 因為物體在空氣中受到的浮力, 等于它排開的同體積空氣的重力.但如果雞子有足夠的體積, 這個實驗就會成功. 我國五代時發(fā)明的 “孔明燈”（ 熱氣球 ） 就是一個很大的“蛋殼”.蘇軾介紹的實驗方法, 應用的是反沖作用原理. 雞子 “飛” 起離地三四尺,應該是可信的. 原因是他將蛋殼開口用紙封閉, 只有當殼內(nèi)氣體膨脹, 作用在殼內(nèi)壁的壓力相當大時, 油紙才被擠破. 此時 , 氣流從開口噴出, 氣流的反作用力推動蛋殼起飛. 這個實驗的條件控制得非常好: 第一 , 蛋殼開口只有當殼內(nèi)壓力相當大時才打開; 第二 , 溫度控制巧妙, 蛋殼在密封前, “入露水”, 溫度很低 , 密封后 , 則“日中曬

13、之”, 溫度顯著升高.9 “魚洗噴水”實驗清稗類鈔載: “古州城外河街 , 有陳順昌者, 以錢二千向苗人購一古銅鍋 , 重十余斤. 貯冷水于中, 摩其兩耳, 即發(fā)聲如風琴, 如蘆笙 , 如吹牛角.其聲嘹亮, 可聞里余. 鍋中冷水即起細沫如沸水, 濺跳甚高. 水面四周圍成八角形 , 中心不動. ”上述“銅鍋”叫“噴水魚洗”或“魚洗”. 這種古代玩器始于漢代 , 大多類似洗臉盆, 盆底刻魚, 盆沿有兩耳, 摩其兩耳, 盆內(nèi)便能噴射出美麗的水柱. 其噴水原理實際上是振動產(chǎn)生的四節(jié)線振波引起了水的激蕩,振動過程類似于圓鐘的空氣振動. 試圖使魚洗噴水, 應使手掌和魚洗兩耳（ 弦 ） 摩擦 , 作為洗發(fā)生

14、振動的激勵源. 手掌所處的位置可視為振動波節(jié)的位置, 這樣 ,由于洗的對稱性, 其振動只能產(chǎn)生偶數(shù)節(jié)線, 而振動的拍擊波使洗內(nèi)的水發(fā)生相應的諧振動, 于是在洗的振動波腹處, 水的振動最為強烈, 而在洗的波節(jié)處,水不發(fā)生振動.關(guān)于魚洗的最早文字記錄,見于宋代何遠（10771145）所寫的春渚紀聞以及王明清（約1127？）所寫的揮塵前錄.近年東南大學還復制了不少魚洗, 這些魚洗被國內(nèi)外學者所珍藏. 現(xiàn)在 , 魚洗已成為一些大學課堂上的演示實驗儀器.10 “磁石提棋”實驗淮南萬畢術(shù)云: “慈石提棋 . ”其注云 : “取雞 （ 血 ） 磨針鐵 , 以相和慈石 , 置棋頭局上, 自相投也. ”又注曰

15、: “ 取雞血與針磨壽之, 以和慈石,用涂棋頭, 曝干之 , 置局上 , 即相拒不休. ” 這兩條注釋, 第一條指磁體相吸,即“磁石提棋”, 第二條指磁體相斥, 即“磁石拒棋”. 其做法是用雞血磨針（此時雞血起潤滑作用） , 將磨針時所得的雞血與鐵粉混合物中拌入磁石粉末（ 此時雞血起粘合作用） , 涂在棋頭. 晾干后擺在棋盤上, 會出現(xiàn)棋子相互吸引或相互排斥現(xiàn)象. 很明顯 , 這種棋子已成為人造磁體. 從理論上看, 每顆磁石粉末均具有極性 , 摻入鐵屑能大大增強磁疇. 將磁粉與鐵粉粘在棋子上, 放在地磁場中慢慢晾干, 在晾干過程中, 每個磁石與鐵的小顆粒必循著地球磁感應線作有規(guī)則的排列, 棋子

16、會顯極性, 它能與磁石相吸或相斥. 南宋莊綽在雞肋篇就曾寫道 : “ 搗磁石錯鐵末, 以膠涂瓢中各半邊”;“ 以二瓢為試, 置之相去一二尺,而跳躍相就, 上下宛轉(zhuǎn)不止. ”史記 、 漢書等典籍中所指的“欒大斗棋”, 指的也是人造磁體具有的這種性質(zhì), 現(xiàn)在用人造磁鐵去做趣味實驗就更多了.11 “冰鏡取火”實驗淮南萬畢術(shù)云: “削冰令圓 , 舉以向日, 以艾承其影, 則火生 . ”張華（232300）在博物志中云：“削冰令圓，舉以向日，以艾于后承其影， 則得火 . ”綜合上述兩條記載, 聯(lián)系當時科技的發(fā)展情況, 我們認為上述大概意思是 : 把一塊冰削成扁圓形, 兩個側(cè)面鼓成球面, 將它舉起來, 使

17、其一個側(cè)面對著太陽. 這樣 , 陽光穿過冰塊后匯聚成一點, 在那里放些艾草一類干燥的易燃物 , 這些物品會被慢慢點燃. 上述冰塊實際上已成為一塊凸透鏡, 陽光匯聚的一點是它的焦點. 眾所周知, 冰塊在強烈的陽光下會慢慢熔化, 要使它能像古代燧陽那樣利用太陽取火, 這可是一件了不起的事情. 冰鏡能夠取火嗎? 古人的答案是肯定的! 如清代鄭復光就做過這一實驗. 1819 年 , 他取透明度極好的冰 , 用手工削制成透鏡, 因表面“甚難得圓”而招致失敗 . 后用凹底錫壺,充以熱水, 放在冰塊上旋轉(zhuǎn), 得到形狀很好的冰凸透鏡, 用它對日聚焦, 竟使“火煤”燃燒起來 , 可見冰鏡取火不是妄說.12 “噴

18、水造虹”實驗唐代張志和（約730約810）在玄真子一書指出：“背日噴乎水成虹 霓之狀.”宋代蔡卞（10581117）在毛詩名物釋同樣提到：“以水噴日， 自側(cè)視之, 則暈為虹霓. ” 上面引述的意思是: 背著太陽向空中噴水, 從側(cè)面觀察 , 可以看到霓虹現(xiàn)象.虹是陽光射入水滴經(jīng)折射、反射而形成在雨幕或霧幕上的彩色或白色圓弧.在中國古代, 有人認為虹乃是天地之淫氣, 詩經(jīng) 就曾寫到: “ 蟲帶蟲東（ 虹 ）在東 , 莫之敢指. ”“ 噴水造虹”實驗 , 是人類有意識進行的一次白光色散實驗,它正確地說明了虹的成因.13 迎風轉(zhuǎn)秫帝京景物略云: “剖秫秸二寸 , 錯互貼方紙, 其兩端各紅綠, 中孔 ,

19、以細竹橫安秫竿上, 迎風張而疾趨, 則轉(zhuǎn)如輪, 紅綠渾渾如暈. ”這是一個利用風能去推動秫秸轉(zhuǎn)動的實驗, 實驗演示了顏色合成. 儀器制作與實驗過程大體如此: 將去掉穗的高粱桿截成若干段, 每段長二寸, 剖開 .分別把紅紙、綠紙剪成方形, 并把它們交叉地貼在高粱桿的兩端. 把高粱桿也交叉放在一起, 在交叉的高粱桿的中部鉆孔, 用細竹一端穿過小孔作為轉(zhuǎn)軸, 手持細竹另一端逆風行走, 紙片張開, 高粱桿快速轉(zhuǎn)動, 狀如飛輪. 此時 , 紅綠兩種顏色就像日暈那樣渾然一體, 形成十分美麗的色環(huán). 本實驗中的“儀器”,人們稱它為“風車”, 是一種兒童玩具, 也可以啟迪思維, 激發(fā)智力.14 著翼起飛漢書王

20、莽傳云：“取大鳥翩為兩翼，頭與身皆著毛，通引環(huán)鈕，飛數(shù)百步墮. ” 這是一個滑翔飛行實驗: 用大鳥羽拼合成兩只大翅膀, 用牽引線把它們固定在人身兩側(cè), 人從頭到腳裝上羽毛, 然后拉著牽引線迅速奔跑, 就會象鳥兒一樣飛向空中, 飛行數(shù)百步掉下. 我們清楚, 鳥在飛行時, 翅膀的上面往往向上凸起, 下面平直或略微凹進. 如果直接將大鳥翅膀作飛翼, 或?qū)⑷舾渗B的羽莖拼織成鳥翼形狀, 那么人拉著“翅膀”迅跑時 , 空氣就相對“翅膀”向后移動 . 因“翅膀”上凸下平 , 流過“翅膀”上面的空氣 , 需要繞一個彎, 其流速要比 “翅膀” 下面空氣的流速快. 這樣 , “翅膀” 上面空氣流速快, 壓強小 ,

21、“翅膀” 下面空氣流速慢, 壓強大 , 使 “翅膀” 上下產(chǎn)生壓強差. 這個壓強差,會產(chǎn)生把“翅膀”向上托起的升力 , 這個升力就可把物體托向空中. 這個實驗,是人類第一次進行滑翔飛行的實驗. 它驚險、 有趣 , 盡管可能不會成功, 但試驗者需承擔較大風險. 由此可見, 我們的祖先何等聰明和勇敢.15 水中浮丹宋代洪邁在夷堅志中介紹: “宣和中 , 蔡魯公閉居京師, 有方士持陰陽丹一兩許, 如彈子大, 色正紅 , 以獻之 . 置之水中, 隨十二時上下, 六陽時則浮上 , 六陰時則沉. 仍各準其方位, 不差晷刻 . ” 陰陽丹的組成成份是什么,洪邁沒有說明. 但在宋代, “水中浮丹”的研究是比較

22、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動沉浮, 實驗一絲不茍. 蘇軾就曾提到 : “獐腦黃蠟和勻染黑 , 投水中作蝌蚪, 自然水中走動. ”格物粗談中的“浮水金丹”是用樟腦、銀珠搗成的 .此外 , 北夢瑣言還記載了一個盆中游魚的實驗: “戍州刺史文思輅亦有戲術(shù) , 曾剪紙魚投于盆內(nèi)活. ”從洪邁的記錄看, 陰陽丹在水中的運動很像潛水艇的沉浮. 這使人想起阿基米德原理: 浸入液體里的物體受到向上的浮力,浮力的大小等于它排開的液體受到的重力. 由此可知, 當?shù)さ谋戎卮笥谝后w比重時 , 丹會下沉, 當?shù)さ谋戎匦∮谝后w比重時, 丹則上浮 . 樟腦丸為什么能在水中自動沉浮呢?

23、原來 , 實驗中的“水”為醋酸溶液 , 樟腦丸的比重比醋酸溶液略微大一些, 所以開始時樟腦丸沉入杯底. 但由于醋酸與碳酸鈉發(fā)生化學反應,產(chǎn)生的二氧化碳氣體聚集在樟腦丸的表面, 使樟腦丸和氣泡這一整體的比重小于液體比重, 樟腦丸浮了起來. 當樟腦丸浮到液面時, 附在樟腦丸表面上的二氧化碳氣體逸出, 剩下的氣泡連同水對樟腦丸向上的浮力支持不住樟腦丸的重量 , 于是又沉入杯底. 當今課堂上, 有些物理或化學教師就做過這種實驗: 在半杯醋酸里加入碳酸鈉數(shù)粒, 然后把一粒樟腦丸放入杯里. 樟腦丸起初沉入杯底,過一會兒就會慢慢浮上來, 浮到液面后再沉下去, 然后又浮起來, 如此反復,十分有趣.16 銅蟾滴

24、水“古銅蟾蜍 , 章申公研滴也. 每注水滿中, 置蜍研仄, 不假人力而蜍口出泡 , 泡殞則滴水入研, 已而復吐, 腹空而止. ”意思是 : 章申公有一個銅制研滴 , 形如蟾蜍, 顯得非常古樸. 將它放在研側(cè), 注入水 , 不用借助人工操作,蟾蜍口中就能吐出水泡, 泡滅水滴落入研盤, 過一會又吐水泡, 如此反復, 直到蜍腹中的水吐完. 這是一個利用毛細管引水入研的有趣實驗. 我們清楚, 水能潤濕銅 , 將銅管插入水中, 管中液柱的高度, 與液體表面張力系數(shù)、毛細管內(nèi)徑以及液體與固體的接觸角有關(guān). 當液體與固體材料確定后, 毛細管內(nèi)徑越細,管內(nèi)液柱越高. 因此 , 用毛細管能達到引水目的. 有趣的

25、是, 上述實驗中毛細管可能就設在人眼無法看見的研滴壁中, 毛細管內(nèi)壁較粗糙, 水從蜍腹底部潤濕至向研盤方向傾斜的蜍口側(cè)而慢慢形成水滴, 當水滴重力大于水的表面張力時,水滴入研盤中.17 紙銚煎茶張岱在夜航船中指出: “雞子白調(diào)白礬末刷紙 , 作銚子煎茶, 沸而不燒其紙 . ”雞子白即雞蛋清, 白礬即明礬. 用雞蛋清與明礬粉末和勻涂刷紙上作成銚子 , 放在火焰上煎茶, 水沸而紙不燃. 我們清楚, 普通煤爐的火焰溫度約600 , 而紙的著火點是183 , 用煤爐燒紙, 紙會燃為灰燼. 但用紙銚煎茶,情況就不一樣了. 爐火燃燒時, 銚子內(nèi)的水會不斷吸熱, 使紙冷卻. 由于水的沸點是 100 . 水會

26、在這個溫度下變?yōu)檎魵鈱⒍嘤嗟臒釒ё? 所以沸水溫度不會超過 100 , 這個溫度低于紙的著火點, 只要銚子里的水不干, 同時注意銚子水面以上不接觸火焰, 紙就不會燃燒. 為了防止紙銚水面以上部分被火焰燃燒和紙銚滲水現(xiàn)象發(fā)生, 同時也為了增加紙銚能夠承受水的壓力, 在紙銚上涂上雞蛋清與明礬混合物, 實驗就容易獲得成功. 初中物理課本中的“紙鍋燒水”實驗 , 可能就是從“紙銚煎茶”演變過來的 , 而“紙鍋燒水”更具有說服力和驚險 性.18 刻魚測雨漢代有一個奇特的物理實驗, 儀器是用玉石雕刻的魚. 這種魚可能為橢圓形、 中空 , 髟耆尾皆具. 實驗目的是以魚的鳴吼來預測天氣. 原文見 西京雜記:“

27、昆明池刻玉石為魚 . 每至雷雨常鳴吼, 髟耆尾皆動. 漢世祭之祈雨, 往往有驗 . ”這個實驗巧妙地運用了共振效應 , 效果相當不錯. 使那些不知原理的人.對石魚產(chǎn)生敬仰, 并頂禮膜拜. 我們清楚, 風暴時 , 強風掠過海面會產(chǎn)生次聲波 , 次聲波和風暴怒吼的聲波一起向四面八方傳播, 聲波很容易被空氣和大海“吃” 掉 , 唯有頻率很低的次聲波在傳播過程中能量損失慢、傳播距離遠. 加之次聲波比風浪速度快許多倍, 它能成為風暴來臨的警報. 但次聲人耳無法分辨,如果能制造一種儀器, 將次聲變?yōu)榭陕劼? 那么這一裝置就成為一種風暴報警器 . 石魚就是這樣一種裝置: 它張口 , 腹空 , 當次聲波不斷對

28、它施以周期性外力時 , 石魚作受迫振動. 若聲波的策動力頻率與石魚的固有頻率成倍數(shù)關(guān)系,石魚產(chǎn)生非線性共振, 發(fā)出聲波. 其中 , 高頻部分為可聞聲. 此時 , 石魚 “髟耆尾皆動” , 其聲學效應表現(xiàn)為大聲 “鳴吼” . 在中國古代, 利用共振效應預測天氣、地震、兵亂的例子不勝枚舉. 如 : “石鼓 , 冀縣有天鼓山, 山有石如鼓, 河鼓星搖動 , 則石鼓鳴, 鳴則秦土有殃”; “陜州黃河有鐘 , 大水小水常自浮出,每昧朔陰雨之日輒鳴, 聲響悲亮, 行客聞之莫不愴然”; “康熙戊申六月十七日戌刻 , 山東、 江南、 浙江諸省, 同時地大震?又天鼓鳴, 鐘鼓自鳴”; “漢武帝時 , 未央宮前殿

29、鐘無故自鳴, 三日三夜不止. 詔問太史, 待詔王朔, 朔言恐有兵氣 . ”可見 , “刻魚測雨”實驗有其堅實的理論基礎 , 這些理論是在不斷觀察、 分析中總結(jié)出來的. 我國漢代就有如此奇妙的實驗, 這的確是炎黃子孫值得驕傲的事情.19 固體傳聲“截竹筒兩枚 , 空其兩端, 各以一面用皮紙冒之, 膠封甚固. 兩筒紙面相向 , 取長數(shù)丈細線穿過之, 使兩人各執(zhí)一筒, 一人屬口于此筒之空面, 一人屬耳于彼筒之空面, 相去數(shù)丈, 屬口者隨意言語, 屬耳者聽之了了, 他人不聞也 . ” 這是一個證明固體也能傳聲的實驗. 此實驗在現(xiàn)行初中物理課本也能找到實驗中的裝置, 叫“傳聲筒”, 或稱“土電話”. 很

30、明顯 , 當有人對著細線一端的竹筒 （ 發(fā)話筒 ） 講話時 , 空氣發(fā)生振動, 它推動皮紙與細線振動. 此時 , 細線另一端的皮紙也跟著振動, 這樣皮紙又帶動竹筒（ 受話筒 ） 內(nèi)空氣振動, 把聲音傳給受話的一方. 這里 , 話筒起著 “共鳴” 箱的作用. 在中國古代, 有人通過挖掘地道的方法向城內(nèi)發(fā)起進攻, 為了判辨敵方是否采用這一手段, 就得使人偵察 . 墨經(jīng)云: “令陶者為罌 , 空四十斗以上, 固 （ 順 ） 之以薄革, 置井中 ,使聰耳伏罌而聽之, 審知穴之所在, 鑿穴迎之. ” 仔細分析, 上述 “傳聲筒”與墨經(jīng)中的“聽甕”相似 . 可以認為, “罌”相當于“聽話筒”, 敵人的地道

31、相當于 “發(fā)話筒”, 而連接地道與罌里的泥土相當于 “線”. 不僅如此, “聽翁”裝置與當今有線電話也相似, 如果把 “聽翁” 裝置說成是電話的始祖, 應當是可以使人接受的.20 銅鏡透字古代有一種鏡子, 用銅鑄成, 不僅能照人容貌, 而且當光束射到鏡面時,鑄在鏡子背面的銘文圖案, 還會 “透” 過鏡子映現(xiàn)在屋壁上, 非常清楚 . 這種鏡子叫“透光鏡”, 現(xiàn)已作為演示實驗儀器將它搬上講臺. 透光鏡始于西漢. 它與編鐘、魚洗一起, 被稱為中國古代青銅三寶. 用透光鏡進行實驗演示, 最早的文字記載見于隋唐的古鏡記, 因文字較長, 不作敘述. 現(xiàn)摘北宋沈括的實驗記錄如下 : “世有透光鑒 , 鑒背有

32、銘文, 凡二十字, 字極古 , 莫能讀 . 以鑒承日光 , 則背文及二十字皆透屋壁上, 了了分明. ” 銅鏡何以透光? 沈括說 : “人有原其理, 以為鑄時薄處先冷, 唯背文上差厚, 后冷而銅縮多. 文雖在背, 而鑒面隱然有跡, 所以于光中現(xiàn). ”這種解釋符合科學道理 . 顯然 , 透光鏡鑄成后 , 鏡面會有肉眼不易覺察的與鏡背銘文相對應的微小起伏, 這種微小起伏是在鑄造加工中形成的. 鑄鏡時 , 鏡背的花紋凹凸處凝固收縮, 產(chǎn)生鑄造應力,加之鏡面在研磨時產(chǎn)生壓應力, 造成彈性形變. 當鏡面研磨到一定的程度時,這些因素共同作用, 使鏡面產(chǎn)生與鏡背銘文相應的曲率. 光束照在鏡面, 鏡的微小起伏經(jīng)

33、光程放大, 便顯示出其 “透光” 效應了 . 關(guān)于透光鏡的文字記載還有許多 , 如宋代的癸卒雜識、 云煙過眼錄、元代的間居錄、清代的銅仙傳 、 鏡鏡言令癡、 前塵夢影錄、 淵鑒類函等等均有涉及.21 小孔成像小孔成像是初中課本中一個重要的物理實驗, 該實驗最早見于墨經(jīng) : “ 景到 , 在午有端與景長, 說在端 . ”“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, 在遠近有端與于光 , 故景庫內(nèi)也. ” 意思是 : 景像倒立, 在于光線交錯處有一點狀小孔, 同時 ,影像與物體有一定長度（ 距離 ） . 因為點狀小孔極小. 影

34、像 : 光線照到人身上,象箭射入小孔一樣. 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. 人足在下遮蔽著下光, 所以腳的影像映在壁的上方 ; 人頭在上遮蔽著上光, 所以頭的影像映在壁的下方. 由于在物體的遠處或近處有一點狀小孔和物體被光線直線所射, 所以影像倒立在窟孔里面的壁上. 小孔成像實驗記載還有許多, 北宋沈括在解釋 “陽燧照物皆倒”時就涉及到小孔成像的問題 : “若鳶飛空中 , 其影隨鳶而移, 或中間為窗隙所束, 則影與鳶相違:鳶東則影西, 鳶西則影東. ” 宋末元初的趙友欽還以樓房為光學實驗室進行過專門研究 . 元代郭守敬發(fā)明的“仰儀”和“景符”也運

35、用了小孔成像原理 . 值得指出的是 , 上面敘述只限于“倒像”, 直至清代, 鄭復光才指出影屏上還能形成正像 （ 光斑 ） 的事實 .22 懸鏡照鄰淮南萬畢術(shù)云: “高懸大鏡 , 坐見四鄰 . ”高誘注曰 :“取大鏡高懸 , 置水盆于其下, 則見四鄰矣. ” 我們清楚, 靜止的水面是光的良好反射面, 還在原始社會, 人類就已注意到平靜湖面中的倒影（ 像 ） . 早在殷商時代, 我國就已有人利用靜止的盤水作為照像器具, 這種器具叫“水鑒”,即后來所說的“水鏡”.在懸鏡照鄰實驗中, 水盆的作用是把從大鏡反射到水盆水面的光線再反射給人眼 , 使人能看到宅內(nèi)看不見的宅外景像. 很明顯 , 水盆與大鏡的組合, 已構(gòu)成潛望鏡. 中學課本中的潛望鏡, 通常是把兩面玻璃鏡成45 °角安裝在“Z”形曲管的轉(zhuǎn)彎處，而上述潛望鏡則沒有“ Z”形曲管，所以人們把它叫做開管潛 望鏡 , 它是潛望鏡的鼻祖.23 杯中顯“影”“徐州護戎陳皋供奉 , 行田間遇開墓者, 得瑪瑙盂, 圓凈無雕鏤紋, 盂中容二合許, 疑古酒卮也. 陳用以貯水注硯, 因間硯之中有一鯽, 長寸許 , 游泳可愛 . 意為偶汲池水得之, 不以為異也. 后或疑之, 取