中國古代趣味物理實(shí)驗(yàn)拾零

　　摘要：將分布在中國古籍中的一些趣味性濃的物理實(shí)驗(yàn)收集攏來予以介紹，扼要地分析了實(shí)驗(yàn)原理與方法，指出其在當(dāng)今物理學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)了解中國古代物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生、變化、發(fā)展的歷程具有參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：古代；趣味物理實(shí)驗(yàn)；物理現(xiàn)象

　　1前言

　　中華民族是一個(gè)酷愛實(shí)踐的民族。在中國古代，人們十分重視用實(shí)驗(yàn)去研究物理現(xiàn)象與規(guī)律。一些實(shí)驗(yàn)構(gòu)思奇特，設(shè)計(jì)巧妙，在漫長的歲月中經(jīng)受了歷史的考驗(yàn)，至今仍然光彩艷麗。不過，物理學(xué)在古代不是一門獨(dú)立的學(xué)科，其資料散布極其廣泛，收集起來并不容易。本文從“趣味性”角度出發(fā)，從各種典籍中選出一些物理實(shí)驗(yàn)予以介紹，目的在于了解當(dāng)今趣味物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展變化的歷史背景。

　　2“虛管懸液”實(shí)驗(yàn)

　　唐代王冰注解《黃帝內(nèi)經(jīng)素問》時(shí)指出：“虛管溉滿，捻上懸之，水固不泄，為無升氣而不能降也。”[1]

　　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(huì)從管中流出。因?yàn)橥饷娴目諝獠荒苓M(jìn)入管中，所以管里的水不會(huì)流出來。

　　這就是“虛管懸液”實(shí)驗(yàn)，它證明了大氣壓強(qiáng)的存在。當(dāng)管中充滿水后，空氣不能進(jìn)入管中。將管倒過來，管內(nèi)壓強(qiáng)為水壓，其值通常小于管外的大氣壓強(qiáng)，故水“懸”在管中。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是從“瓶子倒水”實(shí)驗(yàn)演繹過來的。

　　早在南北朝成書的《關(guān)尹子》一書就已指出：“瓶有二竅，水實(shí)之則倒瀉，開一則水不下，蓋不升則水不降。”[2]

　　意思是：在密封的瓶上開兩個(gè)小孔，瓶中灌滿水，水就會(huì)從瓶中倒出。若只在瓶中開一個(gè)小孔，水是倒不出來的。因?yàn)榇藭r(shí)空氣不能在瓶中對(duì)流。

　　很顯然，上下兩端開口的瓶子，下口上面壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓加水壓，下面壓強(qiáng)是一個(gè)大氣壓，這種情況下水會(huì)從下口流光。但將瓶的上口封住時(shí)，水向下滴落一點(diǎn)點(diǎn)后，瓶內(nèi)氣體體積增大，壓強(qiáng)減小，當(dāng)瓶內(nèi)氣壓減小量與瓶中水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等時(shí)(有時(shí)只要水的下表面向外凸出一點(diǎn)點(diǎn)就行)，水就不會(huì)流出來了。

　　該實(shí)驗(yàn)，常有教師在講到大氣壓作功時(shí)，用“試管履行”來演示。

　　3“瓶子喝水”實(shí)驗(yàn)

　　宋代俞琰(1258～1314)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。”[3]

　　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(huì)涌進(jìn)瓶里，并且鏗然有聲。因?yàn)榧埰�的燃燒使瓶中空氣減少，待瓶內(nèi)空氣冷卻后壓強(qiáng)降低的緣故。按這種辦法把瓶扣在人腹上，瓶子會(huì)吸住腹肌而不墜落。

　　很明顯，紙?jiān)谄恐腥紵�，瓶�?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(shí)瓶內(nèi)溫度降低，壓強(qiáng)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(dāng)時(shí)已是了不起的事情。

　　古代記載大氣作功的實(shí)驗(yàn)有許多，還在先秦時(shí)期，我國就用“角法”(今“撥罐療法”)治病了，可見“瓶子喝水”實(shí)驗(yàn)并不“年青”。當(dāng)今人們選擇泡菜壇子，先在壇外溝槽中倒水，然后把燃燒的紙片丟進(jìn)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(cè)原理就是“瓶子喝水”的實(shí)驗(yàn)原理。

　　4“紙人共振”實(shí)驗(yàn)

　　北宋科學(xué)家沈括(1031～1095)在《夢(mèng)溪筆談》中指出：“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，他弦即不動(dòng)。”[4]

　　沈括的意思是：要想知道某一根弦的應(yīng)弦，可以先把各條弦的音(依五音聲階)調(diào)準(zhǔn)，然后剪紙人放在這根弦上。這樣一彈它的應(yīng)弦，紙人就會(huì)跳動(dòng)，彈其他弦，紙人則不動(dòng)。

　　這就是著名的“紙人共振”實(shí)驗(yàn)。所謂共振，是指一個(gè)物體振動(dòng)的時(shí)候，另一個(gè)物體也隨著振動(dòng)的現(xiàn)象。發(fā)生共振的兩個(gè)物體，它們的固有頻率一定相同或成簡(jiǎn)單的整數(shù)比。如彈動(dòng)“哆”弦，別的“哆”弦也動(dòng)，彈動(dòng)“咪”弦，別的“咪”弦也動(dòng)。

　　其實(shí)，早在沈括以前，就已經(jīng)有人做過“瑟弦相應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，戰(zhàn)國時(shí)莊子(前365～前286)在他的著作中就提到一個(gè)叫魯遽的人：“為之調(diào)瑟，廢(置)于一堂，廢于一室，鼓宮宮動(dòng)，鼓角角動(dòng)，音律同矣。”[5]只不過“紙人共振”實(shí)驗(yàn)更為直觀和有趣罷了。

　　5“銅甕雷鳴”實(shí)驗(yàn)

　　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(jiān)塞之，內(nèi)于井中，則作雷鳴，聞數(shù)十里。”[6]

　　意思是：把開水倒進(jìn)銅甕里(但勿倒?jié)M)，將銅甕密封后丟入井中，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(qiáng)減低，水的沸點(diǎn)隨之降低，水再次沸騰作響；第二，若甕壁極薄，當(dāng)甕內(nèi)壓強(qiáng)降低時(shí)，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(dá)到做功的目的�，F(xiàn)中學(xué)用鐵皮盒替代銅甕演示上述第二種現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)時(shí)因條件限制不在水中而在空氣中進(jìn)行。若演示上述第一種現(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(shí)現(xiàn)。

　　6“循煙燃燭”實(shí)驗(yàn)

　　姜岌在《續(xù)古文苑》一書中介紹了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：“今燃一燭在上，一燭在下，滅下燭使煙相當(dāng)，則上燭之炎，循煙而下，燃下燭矣。此類相從也。”[7]

　　意思是：現(xiàn)在讓我們點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生的蠟蒸氣)正好對(duì)著上燭的火焰。此時(shí)，上燭的火焰會(huì)沿下燭煙霧傳遞過來把下燭點(diǎn)燃。這是因?yàn)楣虘B(tài)的蠟燭和氣態(tài)的蠟蒸氣都屬于同一種物質(zhì)。

　　在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)課中，常演示“空中飛火”、“火外生枝”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，它們是從“循煙燃燭”中派生出來的。

　　7“首澤浮針”實(shí)驗(yàn)

　　《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。”[6]張岱(1597～1667以后)在《夜航船》中指出：“取頭垢涂針，及塞針孔，水上自浮。”[8]

　　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(yīng)將頭垢涂針。其實(shí)，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(huì)沉入水底，因?yàn)榇藭r(shí)物體所受重力大于水對(duì)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(shí)驗(yàn)更容易成功。

　　“首澤浮針”，這是一個(gè)非常有趣的實(shí)驗(yàn)。明代劉侗、于奕正在《帝京景物略》中記載：“七月七日之午，丟巧針，婦女曝盎水日中，頃之，水膜生面，繡針投之則浮。”

　　8“水中游蝌”實(shí)驗(yàn)

　　宋代蘇軾(1037～1101)在《物類相感志》中寫到：“獐腦黃蠟和勻染黑，投水中作蝌蚪，自然水中走動(dòng)。但欲潔凈，用了油手指則住。”[9]

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的“獐腦”應(yīng)為“樟腦”(萘)。蘇軾曾在《格物粗談》介紹過“浮水金丹”實(shí)驗(yàn)：“樟腦、銀珠搗為餅，入水，即游走。”[10]這個(gè)實(shí)驗(yàn)與“水中游蝌”相似。

　　“盆中行船”實(shí)驗(yàn)，與水中游蝌也有相似處，對(duì)了解“水中游蝌”實(shí)驗(yàn)原理會(huì)有幫助。用保安刀片將泡沫塑料或木片削制一個(gè)約3cm長的小船，在船尾切一個(gè)“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(huì)自動(dòng)向前航行。

　　這是一個(gè)利用水表面張力做功的實(shí)驗(yàn)，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，所以船頭水的拉力大于船尾水的拉力，船緩緩向前移動(dòng)。

　　9“雞子舉飛”實(shí)驗(yàn)

　　《淮南萬畢術(shù)》云：“艾火令雞子飛。”這是一個(gè)很有趣的實(shí)驗(yàn)，但因記載簡(jiǎn)單，很難確定其實(shí)驗(yàn)原理與方法�！短�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(fēng)因舉之飛。”[6]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。”[9]

　　按《太平御覽》引注，這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)不能成功，這倒不是該實(shí)驗(yàn)原理不對(duì)，而在于蛋殼體積太小，艾在燃燒時(shí)殼內(nèi)排出的空氣重力無法令雞子“舉”。因?yàn)槲矬w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(gè)實(shí)驗(yàn)就會(huì)成功。我國五代時(shí)發(fā)明的“孔明燈”(熱氣球)就是一個(gè)很大的“蛋殼”。

　　蘇軾介紹的實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)用的是反沖作用原理。雞子“飛”起離地三四尺，應(yīng)該是可信的。原因是他將蛋殼開口用紙封閉，只有當(dāng)殼內(nèi)氣體膨脹，作用在殼內(nèi)壁的壓力相當(dāng)大時(shí)，油紙才被擠破。此時(shí)，氣流從開口噴出，氣流的反作用力推動(dòng)蛋殼起飛。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件控制得非常好：第一，蛋殼開口只有當(dāng)殼內(nèi)壓力相當(dāng)大時(shí)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“日中曬之”，溫度顯著升高。

　　10“魚洗噴水”實(shí)驗(yàn)

　　《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(fēng)琴，如蘆笙，如吹牛角。其聲嘹亮，可聞里余。鍋中冷水即起細(xì)沫如沸水，濺跳甚高。水面四周圍成八角形，中心不動(dòng)。”[11]

　　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(shí)際上是振動(dòng)產(chǎn)生的四節(jié)線振波引起了水的激蕩，振動(dòng)過程類似于圓鐘的空氣振動(dòng)。

　　試圖使魚洗噴水，應(yīng)使手掌和魚洗兩耳(弦)摩擦，作為洗發(fā)生振動(dòng)的激勵(lì)源。手掌所處的位置可視為振動(dòng)波節(jié)的位置，這樣，由于洗的對(duì)稱性，其振動(dòng)只能產(chǎn)生偶數(shù)節(jié)線，而振動(dòng)的拍擊波使洗內(nèi)的水發(fā)生相應(yīng)的諧和振動(dòng)，于是在洗的振動(dòng)波腹處，水的振動(dòng)最為強(qiáng)烈，而在洗的波節(jié)處，水不發(fā)生振動(dòng)。

　　關(guān)于魚洗的最早文字記錄，見于宋代何遠(yuǎn)(1077～1145)所寫的《春渚紀(jì)聞》以及王明清(約1127～？)所寫的《揮塵前錄》。近年東南大學(xué)還復(fù)制了不少魚洗，這些魚洗被國內(nèi)外學(xué)者所珍藏�，F(xiàn)在，魚洗已成為一些大學(xué)課堂上的演示實(shí)驗(yàn)儀器。

　　11“磁石提棋”實(shí)驗(yàn)

　　《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：“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。”[6]

　　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(shí)雞血起潤滑作用)，將磨針時(shí)所得的雞血與鐵粉混合物中拌入磁石粉末(時(shí)此雞血起粘合作用)，涂在棋頭。晾干后擺在棋盤上，會(huì)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(qiáng)磁疇。將磁粉與鐵粉粘在棋子上，放在地磁場(chǎng)中慢慢晾干，在晾干過程中，每個(gè)磁石與鐵的小顆粒必循著地球磁感應(yīng)線作有規(guī)則的排列，棋子會(huì)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(cuò)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。”[12]《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(shí)驗(yàn)就更多了。

　　12“冰鏡取火”實(shí)驗(yàn)

　　《淮南萬畢術(shù)》云：“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生。”[6]張華(232～300)在《博物志》中云：“削冰令圓，舉以向日，以艾于后承其影，則得火。”[13]

　　綜合上述兩條記載，聯(lián)系當(dāng)時(shí)科技的發(fā)展情況，我們認(rèn)為上述大概意思是：把一塊冰削成扁圓形，兩個(gè)側(cè)面鼓成球面，將它舉起來，使其一個(gè)側(cè)面對(duì)著太陽。這樣，陽光穿過冰塊后匯聚成一點(diǎn)，在那里放些艾草一類干燥的易燃物，這些物品會(huì)被慢慢點(diǎn)燃。

　　上述冰塊實(shí)際上已成為一塊凸透鏡，陽光匯聚的一點(diǎn)是它的焦點(diǎn)。眾所周知，冰塊在強(qiáng)烈的陽光下會(huì)慢慢熔化，要使它能像古代陽燧那樣利用太陽取火，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(fù)光就做過這一實(shí)驗(yàn)。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(duì)日聚焦，竟使“火煤”燃燒起來，可見冰鏡取火不是妄說。

　　13“噴水造虹”實(shí)驗(yàn)

　　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(1058～1117)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、衍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(rèn)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。”[14]“噴水造虹”實(shí)驗(yàn)，是人類有意識(shí)進(jìn)行的一次白光色散實(shí)驗(yàn)，它正確地說明了虹的成因。

　　14結(jié)束語

　　綜上所述，本文從若干經(jīng)典文獻(xiàn)中精選出12個(gè)趣味物理實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等幾個(gè)方面。應(yīng)當(dāng)指出，這些實(shí)驗(yàn)只是中國古代趣味物理實(shí)驗(yàn)中極少的一部分。另一方面，在本文羅列的實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)(如“水中游蝌”、“磁石拒棋”)尚未得到驗(yàn)證，正因?yàn)槿绱�，才�?huì)更加激起我們探索的欲望。

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