(整理)中国古代物理学知识及其应用简述.

学院：数学科学学院

专业：数学史（研究生）

课程：中国科学技术史稿

学期：2009-2010学年上

指导老师：侯刚

中国古代物理学知识及其应用简述

学生：陈鹏

学号：09205017

中国古代物理学知识及其应用简述

陈鹏

（数学科学学院，09205017）

摘要：中国古代涉及到的物理知识面是相当广泛的，它不仅涉及到力学、光学、声学和热学，而且也探讨了物质的本源。同时也可看出，古代在物理知识代代相传的过程中，也有独到的见解和创造性的应用,很多都处于世界领先地位。

关键字：物理力学光学声学热学

中国古代很早即有物理一词，但其泛指一切事物的道理。正如明末方以智的《物理小识》所说，“物理在一切中”，即使“性命、生死、鬼神”，也“只一大物理也。”有人认为“中国古代物理学是有术无学”，只是停留在经验阶段，没有理论、没有方法，充其量也只达到一定程度技术的层次。也有人认为中国古代人的与物理学有关的经验理论也是科学理论，中国古代物理学历史悠久而内容丰富。

抛开学术上的争论，客观地讲，一方面中国古代人对许多物理现象有比较深刻的认识并上升到经验得以应用，另一方面中国古代人也曾对自然现象的认识达到极高度抽象的理论层次，并用这些理论理解和解释自然现象、物理现象。中国古代有没有物理学，这一方面不同人有不同的理解，另一方面重要的是必须依靠史实说话。只要对中国古代的物理学知识和中国古代解释自然现象的理论有充分的认识，人人都可以得出一个结论。因此，认真学习这部分知识，就比一味地争论更加重要和有意义。而且人们对这个问题的结论，还受限于我们的历史观念以及我们所能掌握的史料的丰富程度，而这两方面都是可变量。如1987年在河南贾湖斐李岗文化遗址，现为中国科技大学研究员的张居中等人发现了距今8000年左右的完整的由鹤类长肢骨制成的骨笛，这些骨笛长约20㎝，7孔，有7个音阶。这一发现使中国的音乐文化历史一举远远超越巴比伦、埃及的音乐历史。象这类发现的出现自然要修正我们对中国古代相关物理学知识的历史看法。因此，随时间的推移、研究的进步、新发现的出现，人们对中国古代物理学知识的认识难免还会发生变化。下面首先简单展示一下中国古人在认识自然现象时形成的物理学知识及其应用情况。

一．对运动的认识

《墨经?经上》说：“动，域徙也。”显然这是指物体位置改变的机械运动。关于静止，《经上》说：“止，以久也。”物体在某一位置停留一段时间。在《庄子》中，庄子记述了其好友惠施的一些学术观点，其中有：“轮不碾地”以及“飞鸟之景未尝动也”的说法，可以想象其对运动的思索已达到相当高的认识水准。

中国古人对运动的相对性也有较早的清楚的认识，有关这方面的文献很多，如汉代成书的《春秋纬?元命苞》中说：“天左旋，地右动。”而南唐的谭峭在其著作《化书》中也说：“作环舞者，宫室皆转，瞰迥流者头目自旋。”更加令人惊异的是在汉代成书的《尚书纬?考灵曜》中，我们可以看到善于观察的古代中国人竟然认识到了力学的相对性原理的思想：“地恒动不止，而人不知。譬如在大舟中，闭牖而坐，舟行而人不觉也。”力学的相对性原理也叫伽利略相对性原理。在1623年出版的伽利略的著作《两大世界体系的对话》中，伽利略是这样描述的：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方面飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，你向这一方向不比向另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细观察这些事情后（虽然当船停止时，事情无疑一定是这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，

也不忽左忽右地摆动。你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你无法从其中任何一个现象来确定，船是运动还是停着不动。……”伽利略的思想与中国古人的智慧何其相似。最保守地估计中国古人的这一思想的提出早于伽利略也要在1600年以上。

二．动力学方面的知识

《墨经?经上》说：“力，刑之所以奋也。”这句话的含义，学术界还有争议，但不可否认这是有意识的对力的一种定义，而这句话很大程度上断定了力与形变的关系。其上还说：“力学，重之谓。”这表明在当时看来，重力仍是最常见最重要的力之一。直到中国近代早期西方力学翻译成中文时，还曾译为重学。

《考工记》中说：“马力既竭，輈犹能一取也。”显然对惯性有了一定的认识。王充在其《论衡?状留篇》中说：“车行于陆，船行于沟，其满而重者行迟，空而轻者行疾。”可见王充对惯性有了更进一步的认识。他还清楚只有外界其他物体的作用力才能改变物体的状态。他在《论衡?效力篇》中说：“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举，不能离也。”

中国古人对弹性力也曾有深刻的认识。《考工记?弓人》中有“量其力，有三均”的说法。东汉郑玄在注解时说：“参、均者，谓若干胜一石，加角而胜二石，被筋而胜三石，引之中三尺。假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石则张一尺，故书‘胜’。”唐代贾公彦对郑玄的话又做如下解释：“此言谓弓未成时，干未有角，称之称一石；后又安角，胜二石；后更被筋，称之即胜三石。‘引之中三尺’者，此据干、角、筋三者俱总，称物三石，得三尺。若据初空干时，称物一石，亦三尺；更加角，称物二石，亦三尺；又被筋，称物三石，亦三尺。郑又云‘假令弓力胜三尺，引之中三尺’者，此即三石力弓也。必知弓力三石者，当‘驰其弦，以绳缓擐之’者，谓张之，别以一条绳系两箫，乃加物一石张一尺；二石张二尺，三石张三尺。”学术界基本认为中国古人在制造弓弩的过程中应用了弹性定律的知识。弹性定律在西方称为胡克定律，由英国物理学家胡克于1660年左右发现，而这比郑玄晚了近1500年。

三．简单机械方面的知识及应用

杠杆是最简单的机械，中国古人制造的简单机械中，杠杆平衡原理的应用也最为常见。将一长杆通过绳索悬挂于一立柱上，以悬挂点为支点，长杆可象秤杆一样上下摆动，使支点不在杆的中点，这样的装置中国古人称之为桔槔。传说商汤时“伊尹始作桔槔”，这种装置在20世纪70—80年代中国农村尚可普遍看到，主要用于取水，在杆系桶的另一端一般还可以系重物，根据杠杆平衡原理，这样提水时省力。汉刘向在《说苑?反质》中说：“卫有五丈夫，俱负缶而入进灌韭，终日一区。邓析（春秋末人）过，下车为教之曰：‘为机重其后，轻其前……终日灌韭，百区不倦。’”

利用杠杆原理的还有脚踏碓、水碓以及天平、杆秤等等。《墨经?经说下》说：“衡，加重于其一旁，必捶权，重相若也。相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下，标得权也。”学术界认为这叙述的是杠杆平衡原理。其中标与本分别指秤杆的支点到秤锤的距离和支点到悬秤钩处的距离，权即秤锤或砝码。1954年在湖南长沙左家公山战国楚墓出土的天平横杠长27㎝，离杆端0.7㎝处有两盘，以两为单位的砝码系列有：4.00，1.78，1.00，0.495，0.25，0.15，0.062，0.043，0.026。

滑轮，古代称滑车。从春秋战国开始即有广泛应用。《墨经》中的“绳制”也指滑轮。《礼记正义》说公输班为季康子葬母创造了转动机关，为助楚攻宁创制了云梯，其中都使用了滑轮。辘轳可能产生于商末周初。宋代曾公亮《武经总要》说：“周武王以飞桥、辘轳，越沟堑，飞江天”。

四．流体力学方面的知识

从上古人们“见窾木浮而知为舟”（《淮南子》）、东周时人们以舟量物（《符子》）到北魏

贾思勰《齐民要术》中水浮验稻种法，都提示了古人对浮力的认识及应用。汉代的《淮南万毕术》中记载：“首泽浮针。取头中垢以涂塞其孔，置水即浮。”明末刘侗、于奕正在《帝京景物略》中写道：“水面坐膜，锈针投之则浮。”这两则史料反映了古人对液体表面张力的认识。

中国古人对大气压的认识和应用更加引人注意。东汉末年人们已能利用渴鸟（虹吸管）灌溉农田。南北朝成书的《关尹子》中说：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则（水）不降”。唐代王冰在《素问论》中对此有过解释：“虚管既满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。”宋曾公亮在《武经总要》中写道：“凡水泉有崚山阻者，取大竹去节，雄雌相合，油灰黄蜡固封，勿令泄气，推竹首入水中五尺，于竹末烧松桦或干草，使火气自竹内潜通水所，则水自中逆上。”可见在当时的历史条件下，对大气压的大型利用已近完善。

虽然没有专门的著述，但从古代的一些天才制作上我们不难看出，古代中国人的力学知识和经验是相当丰富的。如西汉刘歆的《西京杂记》所载的巧匠丁缓制作的“被中香炉”：“为机环转运四周，而炉体常平，可置被褥中，故以为名。”其原理与飞机、导弹及鱼雷上使用的陀螺仪中的万向支架如出一辙，涉及重心、平衡以及回转效应等物理知识。制作这种器物，必定有明确的指导思想才能成功，因为这不是靠本能就可以实现的，恐怕仅以一个巧字也难以完成，而非有足够的力学经验与知识的累积不可。类似的天才设计在西方，1500年左右才由达芬奇提出。

五．声学知识

中国古代的声学知识是相当丰富的。如《考工记》记载说：“凫氏为钟……薄厚之所震动，清浊之所由生”，明确了声音是由物体振动而产生的。东汉的王充在《论衡》中说：“生人所以言语吁呼者，气括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故能成言。……夫箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人动舌也。”说明王充认识到了空气振动成声的道理。明宋应星在著作《论气》中说：“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自为生。……冲之有声焉，飞矢是也；界之有声焉，跃鞭是也；振之有声焉，弹弦是也；……持物击物，气随所持之物而逼于所击之物，有声焉。……凡以形破气而为声也，急则成，缓则否，劲则成，懦则否。……故急冲急破，归措无方，而其声方起。”在宋应星对发声原理的认识中隐然透出物体的振动（声源）不是根本的第一位的原因，占据第一位置的是气，声乃气生，声源对气“生声”只是一个外界条件、对气的一种触发，或冲之或界之或振之。

宋应星对声音在空气中的传播也有深刻的认识：“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其纹浪以次开之，至纵横寻丈而未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。”而在西方，到十七世纪中期哲学家、科学家伽桑狄仍将声音的传播看成发声体向周围发射的极小、看不见的粒子流的运动。北魏郦道元的《水经注》中记载：“江陵城地东南倾，故缘以金堤，自灵溪始，恒温令陈遵造。遵……使人打鼓远听之，知地势高下。依傍则筑，略无差矣。”由此可以推测陈遵对声音传播的速度应该有一定的认识。

在诸多声音现象中，中国古人对声音的共鸣很有兴趣，因为这正好可以用来类比他们的各种感应思想。公元前3—4世纪在《庄子?徐无鬼》中就有关于共鸣现象的记载：“为之调瑟，废（放置）于一堂，废于一室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。”《吕氏春秋?应同》中说：“类固（同）相如，……声比则应。鼓宫而宫动，鼓角而角动。”西汉董仲舒在《春秋繁露?同类相动》中说：“气同则会，声比则应，其验照然也。试调琴瑟而错之，鼓其宫则它宫应之，鼓其商而他商应之，五音比而自鸣也，无相动相形则谓之自然，其实非自然也，有使然者矣。”其中的宫、商、角、徵、羽即中国人所说的“五音”。大宫与小宫，大角与小角频率比为1:2，都是相隔八度的两个音阶，由此可知“声比则会”的内在含义。汉代郑玄在

集解《史记》中则进一步说：“乐之器，弹其宫则众宫应。”意思是说与宫音同高或高一个、二个乃至几个八度的宫音的弦线都可以和宫音弦共鸣。到了晋代，人们不仅熟知共鸣的产生条件，还找到了改变物体固有频率因而消除共鸣的方法。南北朝刘敬叔在《异苑》中记载：“晋中朝时，蜀中有人蓄铜澡盆，晨夕恒鸣如人叩，乃问张华。华曰：‘此盘与洛阳钟宫商相谐，宫中朝暮撞钟，故声相应。可错令轻，则韵乖鸣自止也。’依其言，即不复鸣。”至宋时，沈括在《梦溪笔谈》中作了弦线共振的演示实验：“琴瑟弦皆有应声：宫弦则应少宫，商弦则应少商，其余皆隔四相应。今曲中有（应）声者，须依此用之。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。声律高下苟同，虽在他琴鼓之，应弦亦震，此之谓正音。”

中国古人也曾制作较复杂的发出乐音的机械，如《西京杂记》中记载：“汉高祖初入咸阳宫……复铸铜人十二枚，坐皆高三尺，列在一筵上，琴筑笙竽各有所执，皆缀花采，俨若生人。筵下有二铜管，上口高数尺。出筵后，其一管空，一管内有绳，大如指。使一人吹空管，一人扭绳则众乐皆作，与真乐不异焉。”

六．光学知识及应用

光给人们的活动带来了方便。中国古代人与光现象有关的知识十分丰富。《墨经》中有“目以火见”的记载，《庄子》中记载的惠施的观点也有“目不见”之说，说明那时的中国人已认识到了人眼依赖光才能看见东西的道理。而在古希腊，学者多认为人眼睛里发出一些微粒，接触到物体才能产生视觉。

中国古代对光学做出理论探索最早而且成绩最大的当属《墨经》。《墨经》中关于光学的内容有八条：

（1）景不徙，说在必为；

（2）景二，说在重；

（3）景倒，在午有端，与景长，说在端；

（4）景迎日，说在抟；

（5）景之小大，说在柂（斜）远近；

（6）临鉴而立，景倒。多而若少，说在寡区；

（7）鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外内；

（8）鉴团，景一。

将这八条与《墨经》上相应的《说》部分相参照，学术界认为这八条叙述的分别是：影子生成的原理；光线与影的关系；光线直线传播的实验（小孔成像）；光反射特性；从物体与光源的相对位置确定影子的大小；平面镜反射成像现象；凹面镜的反射成像现象；凸面镜的反射成像现象。这些认识使得《墨经》在光学史上占有重要地位，它是世界上最早的载有比较完整的几何光学内容的著作。近年来又有学者指出《经上》所言：“荆之大，其沈浅也。说在具”以及《经说下》所言：“荆：沈，荆之见也，则沈浅非，荆浅也。若易五之一。”并非关于浮力而是明确表述了折射概念以及水折射的定量测量。

对于透镜的聚光性,汉代的《淮南万毕术》中有明确记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生火。”南唐谭峭在《化书》中写道：“小人常有四镜：一名圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭，视者大；珠，视者小；砥视者正；盂，视者倒。观彼之器，察我之形；由是无大小、无短长、无妍丑、无美恶。”“四镜”应为透镜类。

在中国古人对光学的研究中，元朝赵友钦的大型实验——“小罅光景”，可谓充分体现了物理学实证的科学精神。据他的《革象新书》所记，为研究光源通过小孔成像问题，赵友钦在相邻的两个房间的地上挖了一个直径约4尺的圆阱，左阱深8尺，右阱深4尺，左阱内放一张4尺高的桌子，又将两块约直径4尺的圆板分别置于左阱桌上和右阱底，圆板上各插1000余支蜡烛，再为两口阱准备好当中开了大小和形状各不相同的洞孔的盖板若干块，又

在西房间的天花板下各设一块可改变高度的平板作为屏幕。赵友钦做了下面几个实验：（1）改换不同的盖板，即改变光孔的大小和形状；

（2）改变点燃蜡烛的数目，即改变光源的强度；

（3）改变作为光屏的木板的高度，即改变像距；

（4）撤去左阱中的桌子，把其上的蜡烛置于阱底，即改变像距。

通过实验，他得出了一些正确的定性结论：“景之远近在窍外，烛之远近在窍内。凡景近窍者狭，景远窍者广。景广则淡，景狭则浓。烛虽近而光衰者，景亦淡；烛虽远而光盛者，景亦浓。”“小景随光之形，大景随空之像，断乎无可疑者。”

另一位元代人，早于赵友钦近半个世纪的郭守敬，利用小孔成像原理改进天文测量仪器，于1279年5月30日测得夏至影长为12.3695尺，同年12月11日冬至影长为67.7400尺。对这一结果，法国大数学家、物理学家、天文学家拉普拉斯评价说：“公元1277年—1280年间的观测之所以重要，是由于它们的高度精确性，也由于它们明确地证实了地球轨道倾角和轨道偏心率自那时起到今天缩小了多少。”

七．热学知识及应用

对热是什么这一问题，我国古代也已注意到，南北朝成书的《关尹子》中认为：“外物”的来去是使瓦石一类物体发生寒热温凉之变的原因。而另一种说法见于据传可能为北齐刘昼著的《刘子·崇学篇》，则从“五行”观念出发，猜想物体寒、热、温、凉的变化是一种“内物”在起作用。这种所谓的“外物”或“内物”都是把热设想为一种实体物质，它类似于18世纪“燃素”和“热素”的观念。我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少，还有待于进一步发掘。火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古人对热现象认识的开端。我国山西省芮城西侯度旧石器的遗址，说明大约180万年前人类已经开始使用火。

约在公元前2000年，我国已有气温反常的记载，在两周初期，人们开始掌握降温术和高温术。据《周礼》记载，当时已设专人司贮冰事，冬季凿冰加以贮藏，到春、夏季用以冷藏食物和保存尸体。说明当时已利用天然冰来降温。我国冶炼业的发展较早，高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁，经科学分析，它是一块生铁，生铁的冶炼温度比熟铁高，需达摄氏千度以上。生铁的出土，说明在那时的高温技术已达到一定水平。温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据《考工记》记载，在铸铜与锡时，随温度的升高，火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色，然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。从现代科学分析，不同物质有不同的汽化点，因此从火焰的颜色可以判断所汽化的物质，从而判断温度的高低。对同一种物质，随着温度的升高，其颜色也先后有所变化。“火候”（包括火色）成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。除制陶和冶炼金属之外，我国古代还在农业中采用了控温技术。据《汉书·召信巨传》记载，西汉末年，我国己利用冬季栽培蔬菜，其方法是“覆以屋庑，昼夜蕴火，待温气乃生。”北魏时期，还利用熏烟的方法防止霜冻。对冷热问题，东汉王充还曾从理论上加以探讨，在他的著作《论衡·寒温篇》中写道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”他把“气”作为物体之间进行“温”“寒”传递的物质承担者，还指出距离变远，“气”的作用渐小。这里已涉及热传递的理论问题，但它只是思辩性的，是我国“元气说”的一种应用。热胀冷缩是重要的热现象之一，在我国古代对它已有所研究和利用。汉代《淮南万毕术》记述了这样一个现象：把盛水铜瓮加热，直到水沸腾时密闭其口，急沉人井中，铜瓮发出雷鸣般响声。这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂，破裂声由井内传出，这是一个典型的热胀冷缩现象。元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验，他把带孔的物体加热以后，使另一个物体进入孔洞，从而这两个物体如“辘轳旋转，无分毫缝罅”。他明确指出，这是前一物体“煮之胖

胀”的缘故。据《华阳国志》记载，李冰父子修建都江堰时，发现用火烧巨石，然后浇水其上，就容易凿开山石。这种利用岩石热胀冷缩不均从而易于崩裂的施工经验，在我国历代水利工程中不断为人们采用。

对水的物态变化，在我国古代也早有认识，例如对雨和雪形成的探讨，认为是由于“积水上腾”而造成。《论衡》中对此有明确的表述：“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”此文说明露、霜、雨、雪是因为不同的温度由水冻凝而成，它们都是水由地面蒸发而产生的。汉代以后的古籍中，对雨、露、雪、霜成因的讨论更多，说明当时对物态变化的知识有了新的认识。汉代董仲舒从“气”的观念出发，解释雨、露、雪、霜成因的道理是：水受日光照射，蒸发成水汽，再在不同条件下形成雨、霰、雪等。从现在看来，这些分析也基本上是正确的。

我国古代，在生产和生活实践中，创制了利用热的各种器具。如宋代曾发明一种“省油灯”，在“灯盏一端作小窍，注清冷水于其中”，据说这种灯能“省油几半”。现在分析，文中所说加入冷水，目的是降低温度，避免油被灯火加热后急速蒸发，其中包含了对油的汽化和温度的关系的认识；据《淮南子》记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞”。这是关于“热气球”的最早设想，也是空气受热上升的具体应用。五代时期，据说还利用这一原理制成信号灯，所谓“孔明灯”也是应用了这一道理。关于走马灯我国古代有较多记载，有的古籍把它称作“马骑灯”、“影灯”。宋代《武林旧事》在记述各种元宵彩灯时写道：“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞……”，这表明当时已利用了冷热空气的对流制造出各种各样的走马灯。

在我国古代，很早就出现了对热动力的认识和利用，唐代出现了烟火玩物，“烟火起轮，走绒流星”。宋代制成了用火药的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龙出水”的火箭，这些都是利用燃烧时向后喷射产生反作用力使火箭前进的道理，属热动力的应用，它是近代火箭的始祖，被世界所公认。

综上可知，中国古代涉及到的物理知识面是相当广泛的，它不仅涉及到力学、光学、声学和热学，而且也探讨了物质的本源。同时也可看出，古代在物理知识代代相传的过程中，也有独到的见解和创造性的应用。然而由于中国封建社会的政治制度、教育制度和经济体制等等因素对科学发展的扼制，使不少对物理学的形成很有价值的科学思想或创造发明，都因得不到应有的重视和支持而湮没不闻，或者时断时续，甚至要隔几代后再重复前人的工作，以致造成我国学校中的物理教育直到19世纪60年代，西欧已到了物理学家人才辈出的时期才迟迟起步，这个教训是十分深刻的。

参考文献：

[1] 杜石然等.中国科学技术史稿.北京：科学出版社，1982年8月

[2] 戴念祖.中国物理学史：古代卷.广西：广西教育出版社，2006年6月

[3] 刘树勇，白欣.中国古代物理学史.首都师范大学出版社，2008年5月

[4] 蔡宾牟等.试论中国古代物理学的产生、发展及其特点.华东师范大学学报，1981年第02期