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1、 安徽科技 l A N H U l S C IE N C E T E C H N O L O G Y 中国古典文献中的有趣物理现象 从与安徽地名有关的两篇文献说起 黄洋清黄融之 ( 西安交通大学安庆市第二人民医院) 皖江两岸自古以来山灵水秀， 人文荟萃， 境内的河流和地名 蕴含着丰富的历史、 科技和文化内涵， 折射出安徽灿烂的古代科 技文明。 很多古代先贤都曾在此跋涉 孕育出一批批脍炙人口的 传世作品。 这些作品在歌颂美好L b J i l 的同时 也蕴含了不少趣自 然现象。 他们凭借着深入细致的对 自 然现象的观察， 为后人透过 现象看本质，进一步认识和了解物理规律提供了珍贵的第一手 科学观
2、测史料 在中国古代物理科技发展史上， 也留下了画龙点 睛之笔。其中， 有两篇与安徽地名有关的名篇佳作， 就形象地记 述了波动这一物理现象 第一篇记载出自 脍炙人口的唐诗名篇 滁州西涧 。滁州西 涧位于安徽滁州城西部， 俗名上马河。 该诗是由唐代中期著名田 园诗人韦应物( 公元7 3 7 7 9 0年) 在唐建中二年( 公元7 8 1 年) 出任滁州刺史期间所作。诗中写道： 独怜幽草涧边生。 上有黄鹂深树鸣。 春潮带雨晚来急， 野渡无人舟自 横。 诗中描写了山涧水边的幽静景象和诗人春游滁州西涧赏景 和晚潮带雨的野渡所见，客观描述了古滁州郊外幽静的春色美 景和诗人当时的情感 当您反复吟诵， 如画的
3、意境就重现眼前， 真是美不胜收 尤其是后两句“ 春潮带雨晚来急， 野渡无人舟自 横” ， 更是留绐读者深刻的印象和无尽的回昧。可是， 您可曾想 到， 这诗句中还凝聚着诗人对波动物理现象的洞察力， 他敏锐地 观测到在波浪的力偶作用下横漂于水流方向的无人驾驭小舟。 “ 春潮带雨晚来急 野渡无人舟自横” ， 意思是指拴在郊野无 人驾驭的小船 ， 在湍急的河流中， 总是横在河里， 随波荡漾。 这里 真实形象地描绘了在河中荡漾的小船，因要处于一个稳定的平 衡位置， 总是横在河里。图 1 的画面可与此诗相映成趣。 图 1 事实上，拴在郊野无人驾驭的椭圆形小船在水波的激荡作 用下，其船体首尾两端受到来自与水
4、波的传播方向成直角的力 偶作用， 绕其船体重心( 一般在无人的船体中部) 旋转成横漂于 水流方向， 最终达至动态平衡。从近代流体力学观点看来， 所谓 的“ 野渡无人舟自横” 就是我们日常生活中经常出现的一种“ 伯 努利原理” 现象。该原理认为： “ 若在水流中某处存在一个阻碍， 则流经阻碍处的流体在垂直方向上的压强会降低。而流经该处 的流体速度会增加。” 据此在船体靠河岸的一侧 水流通过船与 岸之间的狭窄部位时， 流速就会加快， 而流体作用于该船侧的压 力就会降低； 当水流穿过该狭窄段后水道突然加宽， 流速逐渐变 缓， 流水压强又恢复到了原先通过狭窄段前的值。如此一来， 在 船体的首尾两端的两
5、侧E B 于水流对船侧的冲击压强不同必然 产生了一个横向的压力差，形成 了一对绕无人小船重心旋转的 力偶， 在这个自然力偶的作用下 使得当春天溪水流经拴于郊外 的无人渡船时 船体总是处于垂直横向来流的稳定位置， 或在垂 直横向来流的稳定位置附近摆动 2 0 1 2 年 第 4 期叠 I I I 早在距今 1 2 0 0 多年以前的唐朝中叶，诗人韦应物虽然局 I E -T - 当时科学发展水平条件限制，无法揭示所观察到的这一自 然现象背后蕴藏的科学原理， 但他仅仅用了“ 野渡无人舟自横” 这7个字， 便将这一类极为重要的自然现象形象地勾画出来， 令 人遐思 不仅使读者从中得到了美的享受 而且体味
6、出水流波动 现象的自 然规律。 据考证 韦应物对这一现象的精确描述要比西 方早1 1 0 0多年。在此我们应该深深折服于这位唐代中期大诗 人细致入微的观察力和高度概括能力。 另一篇记载来自安徽古代名人方以智 ( 公元1 6 1 1 1 6 7 1 年) 所著的 物理小识 一书。 方以智， 安徽桐城人， 是我国明末清 初一位重要的启蒙思想家、 哲学家和科学家， 物理小识 是其所 著的一部百科全书式的学术著作。 在书中， 作者描述了其观察到 的声音在大气传播过程中温度梯度对声音影响： “ 愚尝江上哺出 三山峡 即闻鲁港、 鸠兹之人声。 ” 意思是方以智曾在某个夏天乘 船顺江而下。 日 哺时( 约下
7、午3点至5点) 出三山峡， 听到鲁港人 声： 过了鲁港， 又听到鸠兹人声。 由图2的地理位置示意可知。明末清初的三山峡在今天安 徽繁昌县境内， 鸠兹即今芜湖市东南 1 0公里处， 鲁港为芜湖市 郊一集镇。三山峡与鲁港同在长江一侧， 相距不超过3 0 0 0 米， 鲁港与鸠兹也在5 0 0 0米之内。 由当时的气候环境条件我们可 推测， 大气温度随高度增加而增加， 而水面温度较低， 此时声音 传播速度随高度增加而增加 声波波阵面法线偏折向下， 甚至很 可能在水面与上层热空气之间发生声波全反射，从而能使普通 声音传播到较远的地方具体可参看图3的温度梯度对声射线 的影响示意。 通过上述分析， 方以智
8、书中记述的在江面船上能听 到几公里外人的说话声音现象也就很容易理解了。 图2 三山、 鲁港与鸠兹地理位置示意 _2 o 1 2 4 期 亩 、 、 | - _ 一 、l | 。 、 ， 一一一 l 窿 地面 声源 图3 温度梯度对声射线的影响示意 从上述例子中，我们不得不佩服方以智独特的观察能力和 科学见解。 在 物理小识 一书中， 方以智还笔录了许多与物理学 中光、 声现象有关的文献资料， 以及他自己的观察和见解。他从 气一元论自然观出发， 提出一种朴素的光波动学说， 认为： “ 气凝 为形。 发为光声， 犹有未凝形之空气与之摩荡嘘吸。 故形之用， 止 于其分， 而光声之用， 常溢于其余：
9、气无空隙， 互相转应也。 ” 即主 张光的产生是由于气受到激发的缘故。由于气弥漫分布于所有 空间 彼此间无任何空隙， 被激发的气必然要与周围静止的气发 生相互作用， “ 摩荡嘘吸” ， 将激发传递出去， 这就形成了光的传 播 为了与近代光的电磁波动说相区别， 我们称方以智的这种朴 素的光波动学说为气光波动说。 从气光波动说的角度出发方以智进一步提出了光不走直 线的主张， 他把它叫做“ 光肥影瘦” ， 认为光在传播过程中， 总要 向几何光学的阴影范围内侵入， 使有光区扩大， 阴影区缩小。他 并且指出， 由于光肥影瘦现象的存在， 使得基于光线直进性质进 行的测量得到的结果都不准确。他说： “ 物为
10、形碍， 其影易尽 。 声 与光常溢于物之数， 声不可见矣， 光可见， 测而测不准矣。” 为了 证实自己的观点 他还做了d T L 成像实验 并且努力用自己的理 论去解释常见光学现象。所有这些， 在物理学发展史上， 都是很 新鲜的。 另外。 他对于光的反射和折射， 对于声音的发生、 传播、 反 射、 隔音效应， 对于色散。 对于炼焦、 比重、 磁效应等诸多问题的 记述 都是领先于同时代人的，堪称我国一位古代杰出的思想 家、 哲学家和科学家。 上述二篇文献， 古人通过深入细致的观察， 记录日常生活中 经常发生的一系列有趣物理现象，为后人留下了珍贵的第一手 科学观测史料，帮助后人全方位多角度地认识和了解中国古代 科技和人文地理 责任编辑 ： 孙刚
