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1、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，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
2、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
3、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。 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。
4、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
5、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
6、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
7、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。中国古代在声学上的贡献在中国古代物理学中，声学的成就可以说是一技独秀，有特别加以记述
8、的必要。 （1）乐器制作与乐律理论 中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖村的骨笛，是公元前 5000前 6000年新石器时代的遗物，这是迄今发现的世界上最早的乐器。西周时期，见于诗经记载的乐器就有 29 种，其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃、 （革兆） （摇鼓）等，调频弹拨乐器有琴、瑟，管类乐器有箫、管、埙、笙等。 汉书律历志已将当时的乐器品种按质料分为八种：“土曰埙，鲍（木瓜）曰笙，皮日鼓，竹曰管，石日馨，金日钟，木日祝，丝曰瑟。 ”从众多出土的古乐器中，引人注目的是编馨和编钟。编馨是用特殊石头（如玉石）制成的具有若干固定音列的组合馨。 1950 年在安阳武官村出土的殷代
9、大理石馨，82 厘米42 厘米 2.5 厘米，音色浑厚如铜； 1970年在湖北江陵出土的楚国编馨 25 只，其形状已颇为规则，音域达三个八度。编钟是由一系列铜制的钟挂在木架上的组合钟。1978 年在陕西扶风曾出土了西周的青铜编钟，1979 年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前 443 年的编钟，一套共 65 件，总重 2500 余斤，总音域跨五个八度， 12个半音齐全，音色优美，效果极佳，充分显示了我国古代音乐、冶金和乐器制造水平之高超。 由于重视“礼、乐、术、数 ”，我国古代研究乐音数学规律的律学相当发达， 二十四史有许多律历志的记载。最晚到殷商时期已产生了宫、商、角、徵、羽五声，西周编钟
10、已刻有十二律（由于对乐音成组的认识，而产生十二律，其名称为：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射和应钟，黄钟为十二律中的第一律）中的一些铭文。以黄钟为标准音高之首，逐次按半音降低，就形成了十二律。最早的乐律计算法见于管子地员篇中的“三分损益法”，约产生于公元前 73 世纪间，即将主音律的弦（或管）长三等分，取其两份（全管长的 2/3，为损一） ，或增加一份（全管长的 4/3，为益一） ，依次确定十二律中其他各律的方法。这种以弦长为准的方法，与欧洲当时以频率为准的“五度相生法” 是成倒数关系的。 16 世纪末，朱载堉提出了十二平均律的理论和算法。十二平均律是我国对音乐
11、声学的重大贡献。（2）声的传播与发声原理的探讨 据北魏郦道元水经注卷三十四江水记载：陈遵在造江陵金堤（公元 512518 ）时，曾利用鼓声推算高地的高度，可能是利用鼓声的传播速度推算的。这一记载很有意义。 对于发声原理，东汉王充在论衡论死篇中先说明人的语言是由于“气括口喉之中，动摇其舌，张合其口”而生的，然后推广到 “箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人之动舌也 ”。宋代张载（10201077）及明代王夫之（16191692）进一步形成“ 形”（物体）与“气”相冲突而发声的观点：“声者，形气相轧而成 ”。可以是“两气” 相碰，如“谷响雷声之类”， “两形”相碰， “桴鼓所击之类”，“形轧气，
12、羽扇敲矢（指羽扇生风、飞矢鸣镝）之类气轧形，人声笙箫之类” （张子正蒙注 ） 。明宋应星具体考察了声的发生的几种情况：“冲” （“飞矢” ） ， “界”（“跃鞭”） ， “振”（“弹弦” ） ， “辟”（“ 裂缯”，即撕丝织品） ， “合”（鼓掌） ， “击” （挥椎） 。他认为发声第一必须有气：“ 气而后有声”， “气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自生”；第二必须是“ 以形破气”， “气之一动” ， “急冲急破，其声方起”，例如“击物” 就是“气随所持之物而逼及于所击之物有声焉” （论气 气声 ） 。 关于声音发生与传播更为深刻的见解是王充和宋应星指出的。王充在论衡变虚篇中将鱼
13、“动于水中，振旁侧之水”与人的“操行” （行动）引起“气应而变”加以对比。宋应星则明确提出“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，而其文浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。 ”（论气气声七 ） 。他们明确指出：“气”被“ 冲”如同“水”被“ 激”， “荡气”与水的“文浪”相似，可从“一拳”依次“ 开”至“纵横寻（古8 尺）丈”犹未止，只是 “荡气”微小到听不见而已，这就是“气声”。对声波的发生与传播从物理上分析如此精辟，在我国古代物理学中是很突出的。 关于共鸣现象的趣闻，庄子调瑟时发现共振现象，沈括在弦共振时作纸人试验，
14、喷水鱼洗的研究等，文献记载相当丰富。（3）古代建筑中的声学效应 利用声学效应的建筑在我国已发现不少。古典籍中关于空穴传声类的记载与建筑有关的也有“地听”、 “墙听” （墨子备穴篇 ）等，用陶瓮口向内砌墙可以隔音，在琴室及戏台下埋大缸可增加混声回响效果。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应。还有河南郏县蛤蟆音塔，四川潼南县大佛寺的石琴等。 近年来深入研究了山西永济县普救寺莺莺塔的蛙声。 西厢记中“日午当庭塔影圆” ，就是指此塔。该塔初建于隋唐，现存的塔重修于 1564 年明嘉靖年间，是一座方形空筒式十三层密檐式砖塔，高 36.7 米，建于陡坡的高处，周围空旷，整个塔身
15、和塔檐由涂釉青砖建成，这些青砖的声反射系数达 0.950.98，是声音的良反射体。塔身成空筒形，对声波起着谐振腔作用。由于十三层塔檐各层砌砖所成曲线的巧妙配合，对来自塔前距离约 24 米处的击石声产生良好的反射及会聚作用，因而“于地击石，有声如吠蛙”。同样，远处的声音通过十三层塔檐反射就会聚在檐前附近，使人耳接收到的声波能量大增。五里外的蒲州镇的演唱声，犹如塔内有戏台。 我国古代建筑是利用声学效应的科学宝库，还有待于进一步发掘。上述成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合，这也是我国古代物理学发展的根本特点之一。中国古代对电现象的认识我国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象
16、开始的。早在 3000 多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷” 及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“ 電”字。 王充在论衡雷虚篇中写道：“ 云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中，关于雷电及其灾害的记述十分丰富，其中尤以明代张居正（15251582）关于球形闪电的记载最为精彩，他在细致入微的观察的基础上，详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时间等，留下了可靠而宝贵的文字资料。 在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因。 淮南子坠形训认为， “阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基（13111375）说得更为明确：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电” 。可见，当时己有人认识到雷电是同一自然现象的不同表现。 尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟，而矛、戟锋
