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www.manbetx829.com_中国古代十二个趣味物理小实验

[日期:2012-09-11]   来源:新万博客户端_www.7manbet.cc  作者:新万博客户端_www.7manbet.cc   阅读:7435次[字体: ]
 
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摘要:将分布在中国古籍中的一些趣味性浓的物理实验收集拢来予以介绍,扼要地分析了实验原理与方法,指出其在当今物理学中的应用,对了解中国古代物理实验产生、变化、发展的历程具有参考价值。
继“中国古代趣味物理实验拾零”、“中国古代趣味物理实验十摘”之后,又从古籍中挑选出部分趣味物理实验予以介绍。并扼要分析实验原理与方法。
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作为转轴,手持细竹另一端逆风行走,纸片张开,高粱杆快速转动,状如飞轮。此时,红绿两种颜色就像日晕那样浑然一体,形成十分美丽的色环。
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,是人类第一次进行滑翔飞行的实验。它惊险,有趣,尽管可能不会成功,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,实验中的“水”为醋酸溶液,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。
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。
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,水沸而纸不燃。
我们清楚,普通煤炉的火焰温度约600,而纸的着火点是183,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。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,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()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()。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45°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,山西省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”。
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