第一章 中國古代物理學(xué)成就

宋秀能山東師范大學(xué)，物理與電子科學(xué)學(xué)院第一篇古代物理學(xué)成就

第一章中國古代物理學(xué)成就第二章西方古代物理學(xué)成就01/81概述：在古代，無論是古希臘還是中國，都談不上有“物理學(xué)”。當時人們還不可能自覺地、系統(tǒng)地運用實驗方法，也不可能通過嚴密的邏輯推理和數(shù)學(xué)形式進行科學(xué)的概括，使之成為完整的知識體系。但這一階段仍是物理學(xué)形成和發(fā)展的先導(dǎo)和淵源，是物理學(xué)發(fā)展的孕育和萌芽時期。物理學(xué)史第一篇

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院02/81宋秀能山東師范大學(xué)，物理與電子科學(xué)學(xué)院第一章中國古代物理學(xué)成就

03/81中國古代物理學(xué)形成和發(fā)展的三個階段：1.萌芽期：遠古---夏、商、西周。只有出土文物和少量文字記載，如石器、陶器、青銅器、樂器以及甲骨文、金文等。2.積累形成期：春秋戰(zhàn)國時期。這一時期物理學(xué)知識開始積累形成，代表作《墨經(jīng)》《考工記》；已有大量的精美器物和文字記載。3.發(fā)展期：秦漢----隋唐、五代十國。在這一時期，物理學(xué)知識得到應(yīng)用，如張衡地動儀、刻漏計時；宋元時期達到發(fā)展高峰，這一時期出現(xiàn)了人工磁化技術(shù)、指南針、趙友欽的小孔成像實驗等。至此，在西方近代科學(xué)誕生之前，中國的科學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域都居世界領(lǐng)先地位。明清時期，科學(xué)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐漸落后于西方，這一時期，西方物理知識開始向中國輸入。物理學(xué)史第一章

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院04/81目錄中國古代的物質(zhì)觀I中國古代的力學(xué)知識II中國古代的熱學(xué)知識III中國古代的聲學(xué)知識IV中國古代的光學(xué)知識V物理學(xué)史第一章

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院中國古代的電磁學(xué)知識VI中國古代的天文學(xué)知識VII05/81

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中國古代的物質(zhì)觀物理學(xué)史第一章物質(zhì)觀

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院06/811.五行說2.陰陽說3.元氣說中國古代的物質(zhì)觀I07/81中國古代的物質(zhì)觀I1.五行說

五行：金、木、水、火、土五種基本物質(zhì)或元素?！八粷櫹拢鹪谎咨?，木曰曲直，金曰從革，土爰稼穡?！薄渡袝?/p>

構(gòu)成：世界萬物皆由上述五種元素構(gòu)成?！耙酝僚c金、木、火、水雜，以成百物”（《國語·鄭語》）。

相互關(guān)系：相生與相克：土生金、金生水、水生木、木生火、火生土；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。

發(fā)展：五行說的起源早于“太極”和“道”，在殷末已普遍流傳；春秋戰(zhàn)國時期，五行說與陰陽說相結(jié)合，形成了陰陽五行說，形成了五行相生相克的關(guān)系。宋代以后，五行作為由太極到萬物的中間環(huán)節(jié)，被容納于宇宙生成體系之中。宇宙由太極而生，太極生出陰陽，陰陽生出五行，五行相互作用，生出世間萬物。和西方比較：古希臘的四根說，古印度的四大說，無金。08/812.陰陽說

世上萬物均由陰陽二元素構(gòu)成，由于陰陽占比及陰陽空間相對位置不同而構(gòu)成宇宙間的萬事萬物。陰陽的相互作用，是自然界一切事物產(chǎn)生、發(fā)展、變化及消亡的根本原因。陰陽的對立和消長是宇宙的基本規(guī)律。（陰陽的最初涵義是表示陽光的向背。后來，又給它賦予了一定的意義，把自然界和社會上一切對立的現(xiàn)象或事物抽象為陰和陽，用陰陽概念來解釋自然界兩種對立和相互消長的物質(zhì)勢力。）不同層面陰陽舉例：生物層面的雌雄、原子層面的原子核與電子等。陰陽學(xué)說的基本內(nèi)容包括陰陽對立、陰陽互根、陰陽消長和陰陽轉(zhuǎn)化四個方面。

“陰陽有序、整體和諧”是世間的最佳狀態(tài)，也是事物穩(wěn)定的基本保證。中國古代的物質(zhì)觀I09/81

《周易》以陰陽的范疇為基礎(chǔ)，說明天地變化及各種現(xiàn)象：“易有太極，是生兩儀；兩儀生四象，四象生八卦”。意思是：‘太極’是宇宙的本原，太極（宇宙）生出陰陽（天地），陰陽相互作用生出四時（春、夏、秋、冬），再生出‘八卦’：

天、地、雷、風(fēng)、水、火、山、澤。（乾、坤、震、撰、坎、離、艮(gèn)、兌）。

八卦則是其形式化和符號化：－－為陰，——為陽，分別稱作‘陰爻（yáo)’和‘陽爻’，陰爻和陽爻的組合構(gòu)成四象：22四象和陰陽的組合再生八卦：乾、坤、震、撰、坎、離、艮、兌。23中國古代的物質(zhì)觀I10/81《周易》是以陰（陰爻－－）、陽（陽爻—）為基本單位而形成的一種對事物的理論性把握。陰與陽二單位的不同組合形成八卦，將八卦中之任意兩卦疊合即形成六十四卦。每卦有六爻，共組成384爻。八卦的卦、爻、位之間，有復(fù)雜的關(guān)系，64卦的卦象變化和爻數(shù)就更加復(fù)雜，它反映了事物之間錯綜復(fù)雜的相互關(guān)系。在易學(xué)中，事物的性質(zhì)即由陰與陽所占整體成份之多少及陰陽空間相對位置關(guān)系所決定。

白紙稱為無極，畫上一個圓圈，稱為無極生太極（宇宙），中間一條曲線分成黑白兩個部分，稱為太極生兩儀，中間的曲線表示了陰陽的相互運動和相互轉(zhuǎn)化。黑白兩個半球中各有一個與之顏色相反的小圓圈，稱為陰陽子，表示陰中有陽，陽中有陰。

中國古代的物質(zhì)觀I11/81故事：德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲1679年提出“論二進位制”，1701年他將二進位制表寄給中國的法國傳教士白晉，白晉立即看出二進位制與中國伏羲八卦的六爻有關(guān)，遂回信并附寄伏羲64卦圖。1703年4月1日，萊布尼茲收到回信和圖，4月2日又復(fù)信，并將論文送出發(fā)表，論文題目是：“二進位制計算的闡述”，副題是“關(guān)于只用0和1，兼論其用途和伏羲所用數(shù)字的意義”。八卦與二進制：若以陰爻－－表示0，陽爻——表示1，則坤卦≡≡即為000，乾卦≡即為111，實際相當于八進制：0---7。玻爾與太極圖中國古代的物質(zhì)觀I玻爾爵士勛章圖案12/813.元氣說①概述：

元氣說是在“道”和“太極”思想指導(dǎo)下，逐漸形成并發(fā)展成為中國古代自然觀中重要的、并在后期占主流地位的物質(zhì)本原思想。春秋戰(zhàn)國時期，老子認為由道生出陰陽二氣，進而產(chǎn)生萬物。莊子繼承和發(fā)揚老子的學(xué)說，提出“通天下一氣”的思想（《莊子》中記載：“人之生，氣之聚也。聚則為生，散則為死。……故萬物一也?！ㄌ煜乱粴舛??！保?。戰(zhàn)國末期的荀況也指出氣是構(gòu)成萬物的基本元素。

元氣說在春秋戰(zhàn)國時期出現(xiàn)，成型于兩漢，經(jīng)過唐、宋得到相當大的發(fā)展，明清達到高峰。由漢代的王充、唐代的柳宗元和劉禹錫為代表，形成了“元氣自然論”；由宋代張載和明末清初的王夫之為代表形成了“元氣本體論”。中國古代的物質(zhì)觀I13/81②“元氣說”的主要思想a.氣是充滿整個宇宙客觀存在的物質(zhì)，是萬物本原。

王充《論衡》：“天地，含氣之自然也”、“天地合氣，萬物自生”、“萬物之生，皆稟元氣”等論述。（王充：東漢時期的唯物主義哲學(xué)家和進步思想家，創(chuàng)立了以氣為基礎(chǔ)的元氣自然論。主要著作有《論衡》。）宋代《二程遺書》卷五說：“萬物之始，皆氣化?！彼未祆洹吨熳舆z書》說：“天地之間，一氣而已?！泵鞔跬⑾嗟摹堆攀觥氛f：“元氣之上無物……”

王廷相《王氏家藏集》說：“天地未判之前，只有一氣而已。一氣中即有陰陽，……二者離之不可得”。中國古代的物質(zhì)觀I14/81c.氣分陰陽，永遠處于運動變化之中

西周末年的伯陽父解釋地震現(xiàn)象時說：“夫天地之氣，不失其序。若過其序……陽伏而不能出，陰迫而不能蒸，于是有地震。”（《國語》）d.物質(zhì)不滅思想

王夫之《張子正蒙注?太和》：氣“散而歸于太虛，復(fù)其氤氳之本體，非消滅也”、“聚散變化，而氣本體不為之損益”；“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，特希微而人不見者?！眀.氣有聚散兩態(tài)，太虛為氣，氣形轉(zhuǎn)化

張載（宋）《正蒙?乾稱》：“太虛者，氣之體…形聚為物，形潰反原”“氣不能不聚而為萬物，萬物不能不散而為太虛”。

王夫之（明末清初)《張子正蒙注?太和》：“虛空者，氣之量，氣彌淪無崖而希微不形，則人見虛空而不見氣。凡虛空者，氣也。聚則顯，顯則人謂之有；散則隱，隱則人謂之無?！?/p>

中國古代的物質(zhì)觀I15/81③元氣說的特點

元氣學(xué)說注重事物間的相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化，符合自然界的真實變化。

元氣說是一種思辯理論，長期停留在推測、玄想階段，沒有實驗、數(shù)學(xué)等科學(xué)方法的配合。

元氣說中的氣的概念常常在具體的物質(zhì)上的氣和抽象的元氣間漂移。

1644年，笛卡兒提出以太旋渦理論，以解釋原子間的虛空問題和超距作用。后經(jīng)美國傳教士丁韙良的考證，他認為，笛卡兒的以太論可能來源于張載的元氣論。中國古代的物質(zhì)觀I16/81II中國古代的力學(xué)知識物理學(xué)史第一章力學(xué)

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院17/81中國古代的力學(xué)知識II1.運動學(xué)知識2.動力學(xué)知識18/81中國古代的力學(xué)知識II1.運動學(xué)知識①時間的計量

a.干支紀法：春秋時魯隱公三年（前722）二月己巳日至清宣統(tǒng)（1911）?！案芍А笔恰疤旄伞焙汀暗刂А钡暮戏Q。

天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。

地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥。組成“六十干支”：甲子、乙丑、…癸酉、甲戊、乙亥…癸亥。

共60個組合，也稱“六十甲子”，周而復(fù)始，不斷循環(huán)。

b.十二時辰記時法：子時：23～1時，丑時：1～3時，…，亥時：21～23時。（一夜五更）

c.百刻時制（漏壺記時制）：采用日晷(gui)或漏壺將一晝夜分為十時，一時分為十刻?！獭癁槁氐幕居洉r單位，在竹或木制的箭上刻上100個等分刻度，其高度正好等于一晝夜漏壺滴水的高度。1刻等于現(xiàn)在的14.4分鐘。（晝夜百刻）

d.機械記時：東漢時期117年張衡發(fā)明渾天儀，用于測定天體位置，一天轉(zhuǎn)一圈。后經(jīng)唐宋發(fā)展，成為世界上最早的天文鐘。19/81中國古代的力學(xué)知識II圭表日晷

日晷，我國古代利用日影測得時刻的一種計時儀器。通常由“晷針”和“晷盤”組成。按照晷盤面放置位置的不同，日晷分為赤道日晷、地平日晷、立晷和斜晷。赤道日晷的“晷面”呈南高北低，使晷面平行于赤道面，“晷針”指向南北極，與地球自轉(zhuǎn)軸平行，晷針與地平面的夾角與當?shù)氐牡乩砭暥认嗤?。在晷面的正反兩面刻劃?2個大格，每個大格代表兩個小時，并按順時針刻以地支名。由于從春分到秋分期間，太陽總是在天赤道的北側(cè)運行，因此，晷針的影子投向晷面上面；從秋分到春分期間，太陽在天赤道的南側(cè)運行，因此，晷針的影子投向晷面的下方。所以，“春分”以后看晷盤的上面；“秋分”以后看晷盤的下面。

20/81中國古代的力學(xué)知識II21/81中國古代的力學(xué)知識II22/81中國古代的力學(xué)知識II日晷和圭表23/81漏壺：

漏壺有兩種形式：瀉水型和受水型。我國最早的西漢青銅挈(qie)壺為瀉水型漏壺，只有一把挈壺，出水口在壺底側(cè)。由于挈壺里水位不同時出水速度不同，后來又發(fā)展出受水型。并逐漸由最初的兩壺發(fā)展成多壺。右圖為根據(jù)唐朝呂才《歷象匯編歷法典》中的刻漏圖制作的四級漏壺。中國古代的力學(xué)知識II24/81中國古代的力學(xué)知識II浮漏：

宋代沈括在多級漏壺的基礎(chǔ)上發(fā)明了浮漏，每晝夜誤差小于20秒。

《周禮·夏宮》記載：“挈壺氏：掌挈壺以令軍井，…皆以水火守之，以分晝夜?！薄端逯啤飞险f：“《周禮》挈壺氏，其法總以百刻，分以晝夜，冬至?xí)兟┧氖?，夜漏六十刻；夏至?xí)兟┝蹋孤┧氖?；春秋二分晝夜，各五十刻。?5/81宋代燕肅制作的蓮花漏改進了刻箭的刻度方法，精度提高到14.4秒；宋代趙友欽則將精度提高6秒。中國古代的力學(xué)知識II時間秤26/81中國古代的力學(xué)知識II渾天儀是渾象和渾儀的總稱。渾象的構(gòu)造是一個大圓球上刻畫或鑲嵌星宿、赤道、黃道、恒穩(wěn)圈、恒顯圈等，類似天球儀。渾儀是一觀測儀器，內(nèi)有窺管，亦稱望管，用以測定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道坐標，也能測定天體的黃道經(jīng)度和地平坐標。渾儀由早期四游儀和赤道環(huán)組成。從漢代到北宋渾儀增加了黃道環(huán)、地平環(huán)、子午環(huán)、六合儀、白道環(huán)、內(nèi)赤道環(huán)、赤經(jīng)環(huán)等。27/81中國古代的力學(xué)知識II

②長度的計量

度量衡：度---長度量---容量衡---重量

《漢書?律歷志》詳細記載：長度單位：引、丈、尺、寸、分，十進制；容量單位：斛(hú)、斗、升、合、龠(yuè)，十進制。重量單位：石、鈞、斤、兩、銖，非十進制。長度：《孫子算經(jīng)》：“度之所起，起與忽。蠶吐絲為忽。十忽為一絲，十絲為一毫，十毫為一厘，十厘為一分?！?/p>

《漢書·律歷志》記載：“度本起黃鐘之長。…九十分黃鐘之長，一為一分，十分為寸，十寸為尺，十尺為丈，十丈為引?！比萘浚骸稘h書·律歷志》：“量本起黃忠之龠，…合龠為合，十合為升，十升為斗，十斗為斛”。一手所盛為“溢”,二手合盛為“掬”,“掬四謂之豆”。重量：

《漢書·律歷志》：“一龠(yuè)容千二百黍(shù)，重十二銖，兩之為兩，十六兩為斤，三十斤為鈞，四鈞為石。”

衡：秤重量器具，衡的形式包括：等臂天平、不等臂天平、桿秤。權(quán)就是砝碼或秤砣。公元211年，秦始皇統(tǒng)一中國后，在商鞅變法的基礎(chǔ)上對度量衡進行了統(tǒng)一，制發(fā)了一大批度量衡標準器，意義重大。28/81中國古代的力學(xué)知識II③時間與空間

《尸子》：“上下四方曰宇，往古今來曰宙”。(戰(zhàn)國時期魏國尸佼)④運動與靜止《呂氏春秋》：“刻舟求劍”故事（秦國丞相呂不韋主編，前239年寫成）

29/81⑤運動的相對性《隋書?天文志》：“乘船以涉水，水去船不徙也”“仰游云以觀，日月常動而云不移”《抱樸子?塞難》：“見游云西行，而謂月之東馳”《春秋緯?考靈曜（yào）》“地恒動不止，而人

不知，比如人在大舟中，閉牖（yǒu）而

坐，舟行而人不覺”?！断逡氐乐小罚骸帮w花兩岸照船紅，百里榆堤半

日風(fēng)。臥看滿天云不動，不知云與我俱東”（兩岸原野落花繽紛，隨風(fēng)飛舞,連船帆仿佛也染上了淡淡的紅色，船帆趁順風(fēng)，一路輕揚，沿著長滿榆樹的大堤，半日工夫就到了離京城百里以外的地方。躺在船上望著天上的云，它們好像都紋絲不動，卻不知道云和我都在向東行前進。）比伽利略相對性原理早一千多年。中國古代的力學(xué)知識II30/81中國古代的力學(xué)知識II2動力學(xué)知識①對力的認識

《墨經(jīng)》：“力，刑之所以奮也”，這里刑即形，指物；奮即飛，動的意思。王充《論衡?效力篇》：“人有知學(xué)，則有力矣。文吏以理事為力，而儒生以學(xué)問為力”，“舉重拔堅，壯士之力也”，“故夫墾草殖谷，農(nóng)夫之力也…”（東漢）。西方，17世紀初‘弗蘭西斯?培根’提出：“知識就是力量”。②外力與內(nèi)力

王充《論衡》：“古之多力者，身能負荷千鈞，手能決角伸鉤，使之自舉不能離地。”③杠桿原理

《墨經(jīng)》中對不等臂天平的論述：“衡，加重于其一旁，必捶…。相衡，則本短標長，兩加焉，重相若，則標必下，標得權(quán)也?！北緲酥c權(quán)重31/81中國古代的力學(xué)知識II④浮力：曹沖6歲稱象等。⑤彈力：弓箭的制作等。⑥大氣壓力

西漢時期已利用虹吸管---渴烏，東漢時已廣泛用于灌溉，唐朝已有隔山取水的大型引水工程。

《關(guān)尹子》：“瓶存二竅，以水實之，倒瀉；閉一則水不下，蓋（氣）不升則水不降。”唐代王冰《素問》：“虛管灌滿，捻上懸之，水固不瀉，…；空瓶小口，頓灌不入，為氣不出而不能入也?！雹邞T性

春秋時期的《考工記》中描述：“馬力既竭，軸猶能一取焉”。32/81中國古代的力學(xué)知識II

⑧力學(xué)知識應(yīng)用

※尖劈、轆轤、滑輪、水轉(zhuǎn)筒車、水轉(zhuǎn)連磨、水碓（duì舂米用具）、水排鼓風(fēng)機（公元31年東漢南陽太守杜詩發(fā)明）、被中香爐、記里鼓車、水運渾象儀等。

※古代建筑學(xué)上力學(xué)（結(jié)構(gòu)力學(xué)）的應(yīng)用：如隋代李春建造的趙周橋，是我國古代留傳至今最古老、跨度最大、弧度最淺的石拱橋，距今已1300年；

※宋代建筑師喻皓曾在開封建“開寶寺塔”斜塔：“塔初成，望之不正，而勢傾西北。人怪而問之。皓曰：‘京師地平無山，而多西北風(fēng)，吹之不百年當正也?！薄稓w田錄》。

※明代的北京故宮群等等。33/81a.橫梁高寬比（—材料力學(xué)）中國古代很早就認識到矩形木比圓木更堅固耐用，并且矩木的高寬比例要適當。《國語》：“不厚其棟，不能任重”，厚即加厚，棟指梁木；（司馬遷最早提到國語的作者是左丘明，有爭議）《九章算術(shù)》：矩木高寬比應(yīng)為3.43：1，形高瘦，抗彎有余，強度不足（九章算術(shù)是漢唐之間出現(xiàn)的古書，作者不祥）《營造法式》：“凡梁之大小，各隨其廣分為三分，以二分為其厚”。這里“廣”與“厚”是對平放地面而言。實際高寬比為3：2。

(營造法式為北宋李誡主持京城和皇宮建筑編寫的）西方：

1702年，法國科學(xué)家帕朗特認為高寬比應(yīng)為√2：11807年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊證實高寬比應(yīng)為：√3：11/31/31/3帕朗特方法中國古代的力學(xué)知識II34/81b.水箱放水實驗（—流體力學(xué)）

明代徐有貞做了放水實驗：兩個完全相同的等容水箱A和B，盛滿同質(zhì)等高的水，一個水箱底部開一大孔S，另一水箱底部開數(shù)個小孔s，令數(shù)小孔面積之和與大孔面積相等。同時打開兩水箱的孔，問哪個水箱的水先放完？明代方以智《物理小識》：“徐有貞張秋治水，或謂當浚一大溝，或謂多開支河。乃以一甕竅方寸者一，又以一甕方分者十，并實水發(fā)竅，竅十者先竭?！睂嶋H上，放水量Q與開孔面積S間存在如下關(guān)系式：A=kSt√(2gt)

當小孔直徑小于1英寸時，系數(shù)k隨孔徑減小而增大，所以當兩個水箱的孔面積相等時，開小孔的水桶先放完水。中國古代的力學(xué)知識II35/81c.“舟自橫”現(xiàn)象（—流體力學(xué)）

唐代韋應(yīng)物詩《滁州西澗》：獨憐幽草澗邊生，上有黃鸝深處鳴。春潮帶雨晚來急，野渡無人舟自橫。

《三國演義》第四十九回“七星壇諸葛祭風(fēng)，三江口周瑜縱火”描寫諸葛亮借得東風(fēng)后，知周瑜不容，連夜趕回蜀屬地夏口，子龍來接，而吳國大將徐盛奉命追殺，此時“趙云拈弓搭箭，立于船尾大叫曰：吾乃常山趙子龍也，奉命特來接軍師，你如何來追趕？本待一箭射死你也，顯得兩家失了和氣，教你知我手段。言訖，箭到處，射斷徐盛船上蓬索，那蓬索落下水，其船便橫?！?/p>

原因：橢圓長軸與水流垂直時為穩(wěn)定平衡態(tài)。中國古代的力學(xué)知識II36/81d.被中香爐中國古代的力學(xué)知識II中國古代盛香料熏被褥的球形小爐。又稱“香熏球”、“臥褥香爐”、“熏球”。它的球形外殼和位于中心的半球形爐體之間有兩層或三層同心圓環(huán)。爐體在徑向兩端各有短軸，支承在內(nèi)環(huán)的兩個徑向孔內(nèi)，能自由轉(zhuǎn)動。同樣，內(nèi)環(huán)支承在外環(huán)上，外環(huán)支承在球形外殼的內(nèi)壁上。爐體、內(nèi)環(huán)、外環(huán)和外殼內(nèi)壁的支承軸線依次互相垂直。爐體由于重力作用，不論球如何滾轉(zhuǎn)，爐口總是保持水平狀態(tài)。37/81e.水排鼓風(fēng)機《王禎農(nóng)書》中國古代的力學(xué)知識II選擇湍急的河流的岸邊，架起木架，在木架上直立一個轉(zhuǎn)軸，上下兩端各安裝一個大型臥輪，在下臥輪（水輪）的輪軸四周裝有葉板，承受水流，是把水力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)動的裝置；在上臥輪的前面裝一鼓形的小輪（“旋鼓”），與上臥輪用“弦索”相聯(lián)（相當于傳送皮帶）；在鼓形小輪的頂端安裝一個曲柄，曲柄上再安裝一個可以擺動的連桿，連桿的另一端與臥軸上的一個“攀耳”相聯(lián)，臥軸上的另一個攀耳和盤扇間安裝一根“直木”（相當于往復(fù)桿）。這樣，當水流沖擊下臥輪時，就帶動上臥輪旋轉(zhuǎn)。由于上臥輪和鼓形小輪之間有弦索相連，因此上臥輪旋轉(zhuǎn)一周，可使鼓形小輪旋轉(zhuǎn)幾周，鼓形小輪的旋轉(zhuǎn)又帶動頂端的曲柄旋轉(zhuǎn)，這就使得和它相連的連桿運動，連桿又通過攀耳和臥軸帶動直木往復(fù)運動，使排扇一啟一閉，進行鼓風(fēng)。38/81水碓中國古代的力學(xué)知識II利用水碓，可以日夜加工糧食。凡在溪流江河的岸邊都可以設(shè)置水碓，還可根據(jù)水勢大小設(shè)置多個水碓，設(shè)置兩個以上的叫做連機碓，最常用是設(shè)置四個碓，《天工開物》繪有一個水輪帶動四個碓的畫面。1、利用水力、杠桿和凸輪的原理去加工糧食。2、水碓是腳踏碓機械化的成果。3、使用立式水輪結(jié)構(gòu)。4、連機碓是一個大水輪驅(qū)動數(shù)個水碓，即一個原動機帶動數(shù)個工作機的形式。5、回轉(zhuǎn)運動帶動上下擺動輸出運動。39/81III中國古代的熱學(xué)知識物理學(xué)史第一章熱學(xué)

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院40/811.溫度2.冰的利用3.熱傳遞4.熱空氣上升原理的應(yīng)用5.火藥的發(fā)明與使用中國古代的熱學(xué)知識III41/81中國古代的熱學(xué)知識III1.溫度①溫度“火候”：在燒制陶器和冶煉金屬的過程中，通過對“火候”的觀察，來定性地判斷溫度的高低?！犊脊び洝酚涊d了青銅冶煉時火色與溫度的關(guān)系：“凡鑄金之狀，金與錫。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?！奔串敗盃t火純青”時，爐溫達到1200度左右，雜質(zhì)揮發(fā)，銅錫融合，可以用來澆鑄了?；鹕珜嶋H為物質(zhì)原子的發(fā)射光譜及其強度的表現(xiàn)。42/81②高溫技術(shù)

殷商時期在高溫冶煉鑄造技術(shù)方面就已卓有成效：殷代文物司母戊鼎、商代的四羊尊、戰(zhàn)國的銅尊盤、秦始皇陵的大型銅馬車等。春秋末期制造的白口鐵和中碳鋼劍，表明當時的冶煉已達到1300℃的高溫。中國古代的熱學(xué)知識III冰鑒：1977年出土于湖北隨縣曾侯乙墓中，由銅鑒、銅缶組合而成，缶套置于鑒內(nèi)，外為鑒，內(nèi)為缶。（2008北京奧運“擊缶而歌”）43/812.冰的利用中國古代的熱學(xué)知識III44/813.熱傳遞熱脹冷縮；增大熱應(yīng)力：在公元前250年都江堰水利工程中的應(yīng)用記載：“大灘江中，其崖嶄峻不可鑿，乃積薪燒之?！?----增大熱應(yīng)力①松脂燈（孔明燈）：五代時期軍事信號燈。中國古代的熱學(xué)知識III45/814.熱空氣上升原理的應(yīng)用中國古代的熱學(xué)知識III②走馬燈：利用冷熱空氣對流帶動紙輪旋轉(zhuǎn)。北宋時期玩具燈。走馬燈46/81中國古代的熱學(xué)知識III③熱氣球：14世紀初，元朝仁宗登基時在元大都（北京）升起世界上第一個熱

氣球。47/81中國古代的熱學(xué)知識III①火藥：四大發(fā)明之一，火器，煙花等。48/815.火藥的發(fā)明與使用中國古代的熱學(xué)知識III②火箭：宋代的管形火器“突火槍”。元代的銅炮；明代的多種多發(fā)火箭。（萬戶：

明代官員，是“第一個企圖利用火箭飛行的人。他用47只最大的火箭綁在

椅子背后，手拿兩個大風(fēng)箏，想借助火箭的推力和風(fēng)箏上升的力量飛向空

中。1970年國際天文學(xué)會為了紀念他，把月球背面的一個環(huán)行山命名為

“萬戶環(huán)行山”。）49/81物理學(xué)史第一章聲學(xué)

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院IV中國古代的聲學(xué)知識50/811.古代的樂器與音律知識2.對共振現(xiàn)象的認識3.古代的回聲建筑中國古代的聲學(xué)知識IV51/81中國古代的聲學(xué)知識IV1.古代的樂器與音律知識

①古代的樂器新石器時代：陶塤（xūn）和骨哨。

《詩經(jīng)》記載：有29種之多，包括各種彈琴、吹奏、打擊等樂器。

戰(zhàn)國曾侯乙墓：出土的有：編鐘、磬、笙、排蕭等。磬編鐘賈湖骨笛52/81②音律知識中國古代的聲學(xué)知識IV律學(xué)的內(nèi)容包括產(chǎn)生樂音的規(guī)律、律制的規(guī)定、定律器的制定，還要旁及與歷法和度量衡的關(guān)系。律學(xué)是一門綜合聲學(xué)、樂學(xué)和數(shù)學(xué)為一體的綜合性學(xué)科。商代：已有五聲音階：宮、商、角、徵(zh?)、羽（相當于現(xiàn)在的1、2、3、5、6）。后又增加了兩個半音：變徵（近4）、變宮（7），成為七聲音階。西周：已發(fā)展為十二律：黃鐘、大呂、太簇、夾鐘、姑洗、仲呂、蕤（ruí）賓、林鐘、夷則、南呂、無射（yì）、應(yīng)鐘。在C調(diào)正聲音階下，十二律與七聲的關(guān)系如下：律名黃大太夾姑仲蕤林夷南無應(yīng)清黃今音名C#CD#DEF#FG#GA#ABC‘音階宮商角變徵徵羽變宮清宮今簡譜123456753/81樂律的計算--三分損益法

三分損益法：最早見于《管子?地員》，誕生于公元前4世紀。是世界上最早的樂律計算方法“凡將起五音，凡首，先主（立）一而三之，四開一合九九，以是生黃鐘小素之首，以成宮。三分而益之以一，為百為徵。不無有三分而去其乘；適足，以是生商；有三分而復(fù)于其所，以是成羽；有三分去其乘；適足，以是生角。”即以宮為基調(diào)，先后乘以（3±1/3）而生成徵、商、羽、角。

具體操作是：將一空弦依次乘以2/3或4/3，即縮短1/3(損一)或加長1/3(益一)，分割成不同的長度，這就產(chǎn)生出不同頻率的樂音。

具體的推算是：設(shè)黃種宮音的弦長為34=81，徵音的弦長為81×4/3=108，商音的弦長為108×2/3=72，羽音的弦長為72×4/3=96，角音的弦長為96×2/3=64，依次類推。(《清史稿?樂志二》)

十二律特點：是一種不平均律，即相鄰之間的律差是不相同的，在轉(zhuǎn)調(diào)上出現(xiàn)困難（無法循環(huán)）。中國古代的聲學(xué)知識IV54/81※朱載育依據(jù)自己發(fā)明的十二平均律確定了“均準”（即弦準），是世界上第一個依據(jù)十二平均律建立的定律器。也是世界上第一個依據(jù)十二平均律建立的弦樂器?！燧d育還制定了一套標準律管（36根，含三個八度），銅材。制作律管時，朱載育發(fā)現(xiàn)：在管徑相同情況下，律管長度加倍或減半，律管發(fā)出的音有差別。為此，他根據(jù)實驗和借助數(shù)學(xué)找出管口校正的方法和數(shù)據(jù)。他用縮小管徑來校正，因此他的律管為異徑律管。中國古代的聲學(xué)知識IV55/81中國古代的聲學(xué)知識IV2.對共振現(xiàn)象的認識①共振

《莊子?徐無鬼》：“為之調(diào)瑟，廢于一堂，廢于一室。鼓宮宮動，鼓角角動，音律同矣。夫改調(diào)一弦，于五音無當也，鼓之，二十五弦皆動?！薄秹粝P談》：“琴瑟弦皆有應(yīng)聲，宮弦則應(yīng)少宮，商弦則應(yīng)少商，其余皆隔四相應(yīng)。今曲中有聲音，須依此用之。欲知其應(yīng)者，先調(diào)諸弦令聲和，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人躍，他弦則不動。聲律高下茍同，雖在他琴鼓之，應(yīng)弦亦震，此謂之正聲。魚洗之謎56/81中國古代的聲學(xué)知識IV②共鳴及其消除

南北朝時期劉敬叔《異苑》：“晉中朝有人蓄銅澡盆，晨夕恒鳴如人扣，乃問張華。華曰：‘此盆與洛鐘宮商相應(yīng)，宮中朝暮撞鐘，故聲應(yīng)爾?？慑e（挫）令輕，則韻乖。鳴自止也?！榔溲裕蟛粡?fù)鳴。”有個洗澡用的大銅盆,每日早晚總會嗡嗡作響,就象有人在敲打一樣,也不知什么緣故。張答道：這只銅盆和洛陽宮中大鐘的音調(diào)相諧,宮中每天早晚都要撞鐘,所以使銅澡盆有聲相應(yīng).張華還告訴他只要把銅澡盆銼掉一點,使它變輕了,便不會再作響。那人照著去辦,果然就不響了。57/81中國古代的聲學(xué)知識IV戰(zhàn)國初期，各諸侯國大動干戈。戰(zhàn)爭中的攻城技術(shù)花樣不少。地道戰(zhàn)術(shù)是很厲害的一招。為了識破敵人挖洞攻城的陰謀。墨家利用聲學(xué)知識想出了一個辦法，守軍在城內(nèi)沿城墻根約每隔6米挖一口井。深約3米左右，讓陶工燒制壇子，有耳朵靈敏的人日夜值班，并將耳朵貼在壇口偵聽。如果敵人正在挖地道，通過壇中的聲音就能覺察。這種方法不僅能判斷敵人否在挖洞，還能從不同的壇口的聲音確定聲源方向，即地道的大致方位。這個方法很有聲學(xué)理論根據(jù)。因為敵人挖地道的聲波經(jīng)同地下傳到壇子，壇子內(nèi)空氣柱發(fā)生共鳴，再引起壇口蒙皮的振動，因此聲音就大了。③對共振原理的應(yīng)用58/81中國古代的聲學(xué)知識IV3.古代的回聲建筑①北京天壇回音壁與三音石：回音壁除壁面聲道效應(yīng)外，還有聚焦效應(yīng)。在回音壁中心處有一塊“三音石”，人站在三音石上發(fā)音之后，聲音傳向墻壁，由墻壁各處反射，各聲線聚焦在三音石，又傳向?qū)γ娴膲Ρ?，再次反射。在安靜的環(huán)境下，站在三音石上拍一下掌，就能聽到連續(xù)下降的七八個回聲。天壇的聲現(xiàn)象59/81中國古代的聲學(xué)知識IV②山西永濟“鶯鶯塔”：普救寺舍利佛塔，因“西廂記”而稱“鶯鶯塔”，是一座空心磚塔，初建于唐武則天，后重建于明嘉靖42年，《浦州府志》記載：“寺有堵坡，合專砌之，于地擊石有生，若吠蛤，蓋空谷應(yīng)響類矣?！奔矗寒斣诘厣蠐舸蚴^時，可產(chǎn)生蛙鳴般的回聲。被列為河?xùn)|“清八景”之一。又稱“普救蟾聲”。60/81中國古代的聲學(xué)知識IV③河南三門峽“蛤蟆塔”：寶輪寺三圣舍利塔，建于金大定十六年，在塔外十余米處擊石拍掌，有蛙鳴回音。游人立于塔四周數(shù)丈，叩石、擊掌，會聽到“呱呱呱”的類似蛤蟆的叫聲。叩石或擊掌越響、越快，這種蛤蟆叫的聲音也就越逼真、響亮，所以當?shù)厝罕娝追Q其為“蛤蟆塔”。其實，塔內(nèi)蛙鳴之聲出自回聲原理。寶輪寺塔是我國現(xiàn)存四大回音建筑之一，沖著塔壁講話可以聽到類似蛤蟆叫聲的回音，所以該塔又有“蛤蟆塔”之稱。61/81中國古代的聲學(xué)知識IV④重慶“潼南石琴”：大佛寺的石階梯，實為登山石階。石琴位于大佛閣右側(cè)的一條上山石道中，從下半部的主洞口自下而上的第四級石階，直到第十九級石階，凡步履所觸，會發(fā)出悠揚婉轉(zhuǎn)，音色頗似古琴的聲音。其中以兩側(cè)巖壁最高處的七級石階發(fā)聲最響。古人稱為“七步彈琴”，并題“石蹬琴聲”四個大字于主洞石壁之上。其機理是腳踏石階產(chǎn)生強迫振動。62/81物理學(xué)史第一章光學(xué)

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院V中國古代的光學(xué)知識63/81中國古代的光學(xué)知識V1.光源與成像2.大氣光學(xué)現(xiàn)象64/811.光源與成像

《趙韓非子·外儲說》：“客有為周君畫莢者，三年而成。君觀之，與髹(xiu涂抹)莢同狀。周君大怒。畫莢者曰：‘筑十版之墻，鑿八尺之牖(yoǔ窗戶)，而以日始出時加之其上而觀?！芫秊橹娖錉?，盡成龍蛇禽獸車馬，萬物之狀畢具。周君大悅?！薄秹粝P談》：“若鳶（yuān）飛空中，其影隨鳶而移；或中間為窗所束，則影與鳶相違，鳶東則影西，鳶西則影東。又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂?！保ㄉ蚶ǎ核未┲袊糯墓鈱W(xué)知識V《墨經(jīng)》：景倒，在午有端與。景：光之人，照若射，下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景與上。首蔽上光，故成景與下。(午：交叉；端：小孔)。65/81①光源

中國古代的光學(xué)知識Va.趙友欽實驗（宋末元初）：趙友欽實驗在中國古代史上占有重要地位，其實驗?zāi)康拿鞔_，設(shè)計合理，步驟清晰，結(jié)果可靠，是中國物理學(xué)史上的的一個首創(chuàng)（記載于趙友欽的《革象新書》）。實驗中他固定幾個條件，改變一個條件來觀察成像情況。實驗分五步進行：①改變孔的大小，比較成像情況；②改變光源強度，作日月蝕模擬實驗；③改變像距；④改變光源距離，觀察小孔成像的變化；⑤改變孔的大小和形狀，做大孔成像實驗。66/81②成像

中國古代的光學(xué)知識Vb.光的反射與鏡面成像

平面鏡：“景，日之光反燭人，則景在日與人之間”《墨經(jīng)》中論述了光的反射，包括平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的反射及成像情況。平面鏡在生活中有廣泛的應(yīng)用，例如：家庭用的穿衣鏡、練功房里墻壁四周的鏡子、牙醫(yī)檢查牙齒時放入口中的小鏡子等都是平面鏡；潛艇用的潛望鏡、顯微鏡、投影儀等里都有平面鏡。67/81中國古代的光學(xué)知識V凹面鏡：“鑒洼，景，一小而易，一大而正，說在中之外、內(nèi)?！兄畠?nèi)，鑒者近中，則所鑒大，景亦大；遠中，則所鑒小，景亦小，而必正，起于中緣正而長其直也。中之外，鑒者近中，則所鑒大，景亦大；遠中，則所鑒小，景亦小而必易。合于中長直也?！薄拌b洼”即凹面鏡，“中”為焦點，“易”即倒置。1.利用凹面鏡對光線的會聚作用：太陽灶、臺燈、電視衛(wèi)星天線、雷達。2．利用過焦點的光線經(jīng)反射后成為平行于主軸的平行光:探照燈、手電筒以及各種機動車的前燈燈罩。還有太陽能焊接機，醫(yī)用頭燈，反射式望遠鏡等。3.奧運圣火采集儀式也是用的凹面鏡聚焦形成熱量的原理。68/81凸面鏡：“鑒團，景一?！b者近，則所鑒大，景亦大；其遠，所鑒小，景亦小，而必正?！奔磋b團只成一縮小的正立的像（虛）。中國古代的光學(xué)知識V凸面鏡應(yīng)用較為廣泛，可用于轉(zhuǎn)彎鏡、廣角鏡等，最為常見的就是倒車鏡與哈哈鏡，利用了對光發(fā)散的原理，可以擴大視野，從而更好地注意到后方車輛的情況。（湯匙的背面就相當于一個凸面鏡，而正面凹下去的地方就相當于一個凹面鏡）從凸面鏡中看到的物體總是變了形的。被凸面鏡歪曲了的像，還可以用凸面鏡把它還原。69/81鏡術(shù)：利用平面鏡成像制成“萬花筒”樣的“魔鏡”：日月鏡、

四規(guī)鏡等。“燈衢”(清代黃履莊造)：“做小屋一間，內(nèi)懸燈數(shù)盞，人入其中，如至通街大市，人間稠雜，燈火連綿，一望數(shù)里?！薄傲_漢堂”(清代鄭復(fù)光造)：從側(cè)面小洞向里看“千門萬戶，百千羅漢”。凹凸面鏡：殷武丁時期就出現(xiàn)了凹、凸面銅鏡。透光鏡：現(xiàn)上海博物館珍藏有西漢時期的“透光鏡”（青銅）。隋唐《古鏡

記》記載：“承日照之，則背上文字，墨入影內(nèi)，纖毫無失”。中國古代的光學(xué)知識V西漢透光鏡沈括：“陽燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠則無所見，過此遂倒?！?0/81中國古代的光學(xué)知識Vc.光的折射與透鏡

※冰透鏡：西漢《淮南萬畢術(shù)》記載：”削冰令圓，舉向以日，以艾

承其影，則火生?！?/p>

※鯽魚杯：宋代《春渚（zh?）紀聞》：“有一鯽，長寸許，游泳可

愛。水倒出，魚不復(fù)見。復(fù)酌水酒中，須臾一魚泛然而起?！?/p>

※蝴蝶杯、蘭花杯、瑪瑙鯉魚盂等?！Ｊ序讟恰庹凵渖衬械暮Ｊ序讟屈S山海市蜃樓71/81野外自制冰透鏡取火中國古代的光學(xué)知識V雨后成虹和造虹實驗：唐初孔穎達《禮記注疏》“日照雨滴則虹生”唐代張志和《玄真子》“雨色映日而為虹”“背日噴乎水，成虹霓之狀。”南宋蔡卞《毛詩名物解》“云薄漏日，日照雨滴則虹生。今以水噴日，自側(cè)視之，則暈為虹霓…。故今雨氣成虹，朝陽射之則在西，夕陽射之則在東?！蹦纤纬檀蟛堆莘甭丁贰胺灿瓿蹯V(ji)，或露之未唏，其余點綴于草木枝葉之末，欲墜不墜，則皆聚為圓點，光瑩可喜。日光入之，五色俱足，閃爍不定，是乃日之光品著色與水，而非雨露有此五色也。”2.大氣光學(xué)現(xiàn)象

72/81物理學(xué)史第一章電磁學(xué)

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院VI中國古代的電磁學(xué)知識73/81中國古代的電磁學(xué)知識VI1.電學(xué)知識2.磁現(xiàn)象的認識與應(yīng)用74/811.電學(xué)知識①對雷電現(xiàn)象的認知摩