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1、校本课程第四讲中国古代物理学（中）主讲人：王玉艳教学目标：了解一. 中国古代的热学知识二. 中国古代的光学知识教学重点：热学知识光学知识教学过程：一. 中国古代的热学知识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。对冷热的认识约在公元前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
2、，到春、夏季用来降温。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。“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。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
3、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。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。热胀冷缩是重要的热现象之一，在我国古代对它已有所研
4、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。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、
5、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
6、（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
7、近代火箭的始祖，被世界所公认。二. 中国古代的光学知识 我国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的 发明、制造及应用为前提条件。根据籍记载，我国古代对光的认识大多集中在光 的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。 (1) 对光的直线传播的认识：早在春秋战国时墨经已记载了小孔成像的实验 ：“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”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。宋代，沈括在梦溪笔谈中描写了他做过的一个实验，在纸窗上
8、开一个小孔，使窗外的飞 鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。 (2) 对视觉和颜色的认识：视觉在墨经中已有记载：“目以火见”。已明确表示人眼依赖光照才能看见东西。稍 后 的吕氏春秋任数篇明确地指出：“目之见也借于昭”。礼记仲尼燕居中也记载 ：“譬如终夜有求于幽室之中，非烛何见 ? ”东汉潜夫论中更进一步明确指出：“夫目之视，非能有光也，必因乎日月火炎而后光存焉”。以上记载均明确指出人眼能看到东西的 条件必须
9、是光照，尤其值得注意的是认为：光不是从眼睛里发出来的，而是从日、月、火焰等光源产生的。这种对视觉的认识是朴素、明确、比较深刻的。 (3) 光的反射和反射镜的利用：我国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前 2000 年夏初的齐家文化时期已经出现。后 来随着技术的发展，古镜制作技术逐渐提高，应用范围逐扩大，种类也逐渐增多，出现了各 种平面镜、凹面镜和凸面镜，甚至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜”。 宋代科学家沈括在梦溪笔谈中对“透光镜”的原理进行了分析：“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（纹）及二十字，皆透在屋壁上，了了分明。人有原其理，以谓铸时薄处先冷，唯
10、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。予观之，理诚如是。”(4) 对大气光学现象：大气光学现象是我国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官 方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对晕、虹、海市蜃楼、北极光 等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见。 (5) 关于成影现象的认识的探讨：日常生活中，在光线照射下，影随时随处可以见到，它引起古人们的注意，并探究其形成的规 律。立竿见影是我国古代最早被注意的问题，后来用此方法测影定向，并应用于确定墓穴和建筑 物的方位上。这套方法在周代已发展很精密。我国古代对光的认
11、识除以上所述外，还有其他一些方面，如折射现象；天然晶体的色散；明清时期，光学从西方传入后，还有了光学仪器的制作等等，但这些认识是零散的，定性的， 绝大多数都只停留在对光学现象的描写和记载上值得提出的是宋末元初的赵友钦 (13 世纪中叶至14世纪初叶 ) ，在革象新书的“小罅光景”中，描写了一个大型光学实验，在地面下挖了两个圆阱，圆阱上可加放中心开有大小、形状不同孔的圆板盖。通过它 可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔 ( 大小和形状 ) 、光源 ( 形状和强度 ) 、像 ( 形状 和亮度 ) 、物距、像距之间的关系进行研究。将两块圆板上各插 1000 多支蜡烛，放在阱底或 桌 面上作为该实验的光源。通过实验确认了光直线进行的性质，定性地显示了像的明亮程度与 光源强度之间的关系，并涉及光的照度和成像理论。他所采用的大型实验方法很有特色，是我国历史上记载的规模最大的实验。 5 / 5
