中国古代趣味物理实验(三)

中国古代趣味物理实验（三）１迎风转秫《帝京景物略》云：“剖秫秸二寸，错互贴方纸，其两端各红绿，中孔，以细竹横安秫竿上，迎风张而疾趋，则转如轮，红绿浑浑如晕.”这是一个利用风能去推动秫秸转动的实验，实验演示了颜色合成.仪器制作与实验过程大体如此：将去掉穗的高粱杆截成若干段，每段长二寸，剖开.分别把红纸、绿纸剪成方形，并把它们交叉地贴在高粱杆的两端.把高粱杆也交叉放在一起，在交叉的高粱杆的中部钻孔，用细竹一端穿过小孔伤作为转轴，手持细竹另一端逆着风快速行走，纸片张开，高粱杆快速转动如飞轮.此时，红绿两种颜色就像日晕那样浑然一体，形成了十分美丽的色环.本实验中的仪器，人们称它为“风车”，是一种儿童玩具.这种仪器，在中国古代统治者心目中，肯定不能登大雅之堂.因此，从事科学研究的人们，总是想方设法把自己的发现以玩器的形式保存下来，以启迪思维，激发智力.2 著翼起飞《汉书•王莽传》云：“取大鸟翮为两翼，头与身皆著毛，通引环钮,飞数百步堕．”这是一个滑翔飞行实验：用大鸟羽拼合成两只大翅膀，用牵引线把它们固定在人身两侧，人从头到脚装上羽毛，然后拉着牵引线迅速奔跑，就会象鸟儿一样飞向空中，飞行数百步掉下．我们清楚，鸟在飞行时，翅膀的上面往往向上凸起，下面平直或略微凹进．如果直接将大鸟翅膀作飞翼，或将若干鸟的羽茎拼织成鸟翼形状，那么人拉着“翅膀”迅跑时，空气就相对“翅膀”向后移动．因“翅膀”上凸下平，流过“翅膀”上面的空气，需要绕一个弯，其流速要比“翅膀”下面空气的流速快．这样，“翅膀”上面空气流速快，压强小，“翅膀”下面空气流速慢，压强大，使“翅膀”上下产生压强差．这个压强差，会产生一股把“翅膀”向上托起的升力，这个升力可把物体托向空中．这个实验，也是人类第一次进行滑翔飞行的实验．它惊险，有趣，尽管成功的可能性小，但试验者需承担较大风险．由此可见，我们的祖先何等聪明和勇敢．3 水中浮丹宋代洪迈在《夷坚志》中介绍：“宣和中，蔡鲁公闭居京师，有方士持阴阳丹一两许，如弹子大，色正红，以献之.置之水中，随十二时上下，六阳时则浮上，六阴时则沉．仍各准其方位，不差晷刻．”]阴阳丹的组成成份是什么，洪迈没有说明．但在宋代，“水中浮丹”的研究是比较深入的，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动沉浮，实验一丝不苟．苏轼就曾提到：“獐脑黄蜡和匀染黑，投水中作蝌蚪，自然水中走动.”《格物粗谈》中的“浮水金丹”是用樟脑、银珠捣成的.此外，《北梦琐言》还记载了一个盆中游鱼的实验：“戍州刺史文思辂亦有戏术，曾剪纸鱼投于盆内活.”从洪迈的记录看，阴阳丹在水中的运动很像潜水艇的沉浮.这使人想起阿基米德原理：浸入液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体受到的重力.由此可知，当丹的比重大于液体比重时，丹会下沉，当丹的比重小于液体比重时，丹则上浮.樟脑丸为什么能在水中自动沉浮呢？原来，樟脑丸的比重比醋酸溶液略微大一些，所以开始时樟脑丸沉入杯底.但由于醋酸与碳酸钠发生化学反应，产生的二氧化碳气体聚集在樟脑丸的表面，使樟脑丸和气泡这一当今课堂上，有些物理或化学老师就做过这种实验：在半杯醋酸里加入碳酸钠数粒，然后把一粒樟脑丸放入杯里.樟脑丸起初沉入杯底，过一会儿就会慢慢浮上来，浮到液面后再沉下去，然后又浮起来，如此反复，十分有趣.整体的比重小于液体比重，樟脑丸浮了起来.当樟脑丸浮到液面时，附在樟脑丸表面上的二氧化碳气体逸出，剩下的气泡连同水对樟脑丸上向的浮力支持不住樟脑丸的重量，于是又沉入杯底.4 空中飞蝶张岱在《夜航船》中指出：“竹内膜纯阴，将酥涂其上，见太阳即飞，名飞蝴蝶.”这是一个什么实验?笔者不敢肯定.从字面上看，它好像是一个实验装置经过改进的“鸡子举飞”:从竹筒中取一张竹膜，将其收扰成球状，在接口处内侧涂上适量酥油，使竹膜像一个吹足空气的气球.然后把竹膜放在太阳下加热，竹膜球内部空气受热膨胀，当球内空气压力较大时，空气从酥油粘合处冲开一个缺口，这样气体对竹膜球产生反作用力，使竹膜球飞向空中.与“鸡子举飞”（苏轼《物类相感志》：“鸡子开小窍，去黄白了，入露水，又以油纸糊了，日中晒之，可以开起，离地三四尺. ”）实验比较，竹膜球的体积可以做得很大但重量极轻，这会使实验更易成功.另一方面，因竹膜重量轻，将其加工成蝴蝶或其他形状，也不至使竹膜不能起飞，但却会使实验变得更有趣.实验的设计思想，的确令人佩服.5 铜蟾滴水“古铜蟾蜍，章申公研滴也.每注水满中，置蜍研仄，不假人力而蜍口出泡，泡殒则滴水入研，已而复吐，腹空而止.”意思是：章申公有一个铜制研滴，形如蟾蜍，显得非常古朴.将它放在研侧，注入水，不用借助人工操作，蟾蜍口中就能吐出水泡，泡灭水滴落入研盘，过一会又吐水泡，如此反复，直到蜍腹中的水吐完.这是一个利用毛细管引水入研的有趣实验.我们清楚，水能润湿铜，将铜管插入水中，管中液柱的高度，与液体表面张力系数、毛细管内径以及液体与固体的接触角有关.当液体与固体材料确定后，毛细管内径越细，管内液柱越高.因此，用毛细管能达到引水目的.有趣的是，上述实验中毛细管可能就设在人眼无法看见的研滴壁中，毛细管内壁较粗糙，水从蜍腹底部润湿至向研盘方向倾斜的蜍口侧而慢慢形成水滴，当水滴重力大于水的表面张力时，水滴入研盘中.6 纸铫煎茶张岱在《夜航船》中指出：“鸡子白调白矾末刷纸，作铫子煎茶，沸而不烧其纸.”鸡子白即鸡蛋清，白矾即明矾.用鸡蛋清与明矾粉末和匀涂刷纸上作成铫子，放在火焰上煎茶,沸而纸不燃.我们清楚,普通煤炉的火焰温度约600 O C ，而纸的着火点是183 O C，用煤炉烧纸，纸会燃为灰烬.但用纸铫煎茶，情况就不一样了.炉火燃烧时，铫子内的水会不断吸热，使纸冷却.由于水的沸点是100 O C.水会在这个温度下变为蒸气将多余的热带走，所以沸水温度不会超过100 O C,这个温度低于纸的着火点，只要铫子里的水不干，同时注意铫子水面以上不接触火焰，纸就不会燃烧.为了防止纸铫水面以上部分被火焰燃烧和纸铫渗水现象发生，同时也为了增加纸铫能够承受水的压力，在纸铫上涂上鸡蛋清与明矾混合物，实验就容易获得成功.初中物理课本中的“纸锅烧水”实验，可能就是从“纸铫煎荼”演变过来的，而“纸锅烧水”更具有说服力和惊险性.7 刻鱼测雨汉代有一个奇特的物理实验，仪器是用玉石雕刻的鱼.这种鱼可能为椭圆形、中空，髟耆尾皆具.实验目的是以鱼的鸣吼来预测天气.原文见《西京杂记》：“昆明池刻玉石为鱼.每至雷雨常鸣吼,髟耆尾皆动.汉世祭之祈雨，往往有验.”这个实验巧妙地运用了共振效应，效果相当不错.使那些不知原理的人.对石鱼产生敬仰，并顶礼膜拜.我们清楚，风暴时，强风掠过海面会产生次声波,次声波和风暴怒吼的声波一起向四面八方传播，声波很容易被空气和大海“吃”掉，唯有频率很低的次声波在传播过程中能量损失慢、传播距离远.加之次声波比风浪速度快许多倍，它能成为风暴来临的警报.但次声人耳无法分辨，如果能制造一种仪器，将次声变为可闻声，那么这一装置就成为一种风暴报警器.石鱼就是这样一种装置：它张口，腹空，当次声波不断对它施以周期性外力时，石鱼作受迫振动.若声波的策动力频率与石鱼的固有频率成倍数关系，石鱼产生非线性共振，发出声波.其中，高频部分为可闻声.此时，石鱼“髟耆尾该动”，其声学效应表现为大声“鸣吼”.在中国古代，利用共振效应预测天气、地震、兵乱的例子不胜枚举.如：“石鼓，冀县有天鼓山，山有石如鼓，河鼓星摇动，则石鼓鸣，鸣则秦土有殃”；“陕州黄河有钟，大水小水常自浮出，每昧朔阴雨之日辄鸣，声响悲亮，行客闻之莫不怆然”；“康熙戊申六月十七日戌刻，山东、江南、浙江诸省，同时地大震……又天鼓鸣，钟鼓自呜”；“汉武帝时，未央宫前殿钟无故自鸣，三日三夜不止.诏问太史，待诏王朔，朔言恐有兵气.”可见，“刻鱼测雨”实验有其坚实的理论基础，这些理论是在不断观察、分析中总结出来的.我国汉代就有如此奇妙的实验，这的确是炎黄子孙值得骄傲的事情.8 固体传声“截竹筒两枚，空其两端，各以一面用皮纸冒之，胶封甚固.两筒纸面相向，取长数丈细线穿过之，使两人各执一筒，一人属口于此筒之空面，一人属耳于彼筒之空面，相去数丈，属口者随意言语，属耳者听之了了，他人不闻也.”这是一个证明固体也能传声的实验.此实验在现行初中物理课本也能找到.实验中的装置，叫“传声筒”，今称“土电话”.很明显，当有人对着细线一端的竹筒（发话筒）讲话时，空气发生振动，它推动皮纸与细线振动.此时，细线另一端的皮纸也跟着振动，这样皮纸又带动竹筒（受话筒）内空气振动，把声音传给受话的一方.这里，话筒起着“共鸣”箱的作用.在中国古代，常常有人通过挖掘地道的方法向城内发起进攻，为了判辨敌方是否采用这一手段，就得使人侦察.《墨经》云：“令陶者为罂，空四十斗以上，固(顺)之以薄革各革，置井中，使聪耳伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之. ”仔细分析，上述“传声筒”与《墨经》中的“听瓮”相似.可以认为，“罂”相当于“听话筒”,敌人的地道相当于“发话筒”,而连接地道与罂里的泥土相当于“线”.不仅如此，“听翁”装置与当今有线电话也相似，如果把“听翁”装置说成是电话的始祖，应当是可以使人接受的.9 铜镜透字古代有一种镜子，用铜铸成，不仅能照人容貌，而且当光束射到镜面时，铸在镜子背面的铭文图案，还会“透”过镜子映现在屋壁上，非常清楚.这种镜子叫“透光镜”，现已作为演示实验仪器将它搬上讲台.透光镜始于西汉.它与编钟、鱼洗一起，被称为中国古代青铜三宝.用透光镜进行实验演示，最早的文字记载见于隋唐的《古镜记》，因文字较长，不作叙述.现摘北宋沈括的实验记录如下：“世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字，字极古，莫能读.以鉴承日光，则背文及二十字皆透屋壁上，了了分明.”铜镜何以透光？沈括说：“人有原其理，以为铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多.文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现.”这种解释合符科学道理.显然，透光镜铸成后,镜面会有肉眼不易觉察的与镜背铭文相对应的微小起伏，这种微小起伏是在铸造加工中形成的.铸镜时，镜背的花纹凹凸处凝固收缩，产生铸造应力，加之镜面在研磨时产生压应力，造成弹性形变.当镜面研磨到一定的程度时，这些因素共同作用，使镜面产生与镜背铭文相应的曲率.光束照在镜面，镜的微小起伏经光程放大，便显示出其“透光”效应了.关于透光镜的文字记载还有许多，如宋代的《癸卒杂识》、《云烟过眼录》、元代的《间居录》、清代的《铜仙传》、《镜镜言令痴》、《前尘梦影录》、《渊鉴类函》等等均有涉及.10 小孔成像小孔成像是初中课本中一个重要的物理实验，该实验最早见于《墨经》:“景到，在午有端与景长，说在端.”“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，在远近有端与于光，故景库内也.”意思是：景像倒立，在于光线交错处有一点状小孔，同时，影像与物体有一定长度（距离）.因为点状小孔极小.影像：光线照到人身上，象箭射入小孔一样.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.人足在下遮蔽着下光，所以脚的影像映在壁的上方；人头在上遮蔽着上光，所以头的影像映在壁的下方.由于在物体的远处或近处有一点状小孔和物体被光线直线所射，所以影像倒立在窟孔里面的壁上.小孔成像实验记载还有许多，北宋沈括在解释“阳燧照物皆倒”时就涉及到小孔成像的问题：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢相违：鸢东则影西，鸢西则影东.”宋末元初的赵友钦还以楼房为光学实验室进行过专门研究.元代郭守敬发明的“仰仪”和“景符”也运用了小孔成像原理.值得指出的是，上面叙述只限于“倒像”,直代清代，郑复光才指出影屏上还能形成正像（光斑）的事实.11 悬镜照邻《淮南万毕术》云：“高悬大镜，坐见四邻.”高诱注曰；“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣.”我们清楚，静止的水面是光的良好反射面，还在原始社会,人类就已注意到平静湖面中的倒影(像).早在殷商时代,我国就已有人利用静止的盘水作为照像器具,这种器具叫“水鉴”，即后来所说的“水镜”.在悬镜照邻实验中，水盆的作用是把从大镜反射到水盆水面的光线再反射给人眼，使人能看到宅内看不见的宅外景像.很明显，水盆与大镜的组合，已构成实验装置——潜望镜.中学课本中的潜望镜，通常是把两面玻璃镜成45O角安装在“Z”形曲管的转弯处，而上述潜望镜则没有“Z”形曲管，所以人们把它叫做开管潜望镜，它是潜望镜的鼻祖.12 杯中显“影”“徐州护戎陈皋供奉，行田间遇开墓者，得玛瑙盂，圆净无雕镂纹，盂中容二合许，疑古酒卮也.陈用以贮水注砚，因间砚之中有一鲫，长寸许，游泳可爱.意为偶汲池水得之，不以为异也.后或疑之，取置缶中，尽出余水，验之鱼不复见.复酌水满中，须臾一鱼泛然而起，以手取之，终无形体可拘.复不可知为何宝也.余视之数矣.”关于容器中的显“影”现象，张英、王士祯在《渊鉴类函》中也有记载：“真率齐笔记云：关关赠余本明以青华酒杯，酌酒辄有异香在内，或有桂花，或梅，或兰，视之宛然，取之若影，干则不见矣.”由此可知，关关赠余本明的酒杯不止一个，且每个酒杯装酒后会显示出不同图象.显然，杯中显“影”并非偶然，它是人们对酒杯特意加工后形成的.1979年，山西少侯马市一工厂科技人员，通过长期研究，仿制蝴蝶杯获得成功，其原理如下：在杯底中央嵌装一枚凸透镜，在杯脚里以细弹簧（游丝）装上一个彩蝶，只要杯受微小干扰，彩蝶就能舞动.杯中无酒时，彩蝶在凸透镜焦点之外，造成与人眼同侧的实像，人眼视之很模糊.斟酒入杯后，这层透明的酒成了一枚凹透镜，凸透镜与凹透镜组合成为复合透镜.复合透镜的焦距比凸透镜的焦距大，彩蝶便落在复合透镜焦距之内，造成了放大的虚象，大约位于明视距离处.此时复合镜起放大镜作用，故人眼很清楚地看到放大了的蝴蝶.因杯拿在手里总要受点干扰，蝴蝶也就翩翩起舞了.古人砚中可能没有弹簧，但水面微小的波动，足以使鲫“游泳可爱”.。