物理学史--中国古代物理学

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1、第一章 中国古代物理学一. 中国古代的物质观 二. 中国古代的力学知识 三. 中国古代的热学知识 四. 中国古代的光学知识 五. 中国古代的电磁学知识 六. 中国古代的声学知识 1. 七. 中国古代物理学的特点关于物质的构成，中国古代有多种说法， 如 “ 五行说 ” ，“八卦说”，“元气说”以及墨家提出的“原子论”。这里 仅介绍先秦时期两种物质观。“五行说” 这一学说始于夏朝，流行于商朝，到了西周发展 为“五行元素说”。西周末年，太史官史伯在总结前人思想以 后说：“夫和实物，同则不继，以他平他谓之和，故能丰长而 物生之，若以同裨同，乃尽弃矣。故先王以土与金、木、水、 火杂以成百物”。（国语郑语

2、。）这里已十分明确的把水、 火、木、金、土五种基本物质当成组成世界万物的原始材料。 更加清楚地表明中国古代原始五行说，实际上就是最早的关于 物质组成的假说。它不仅具有朴素的元素概念，并具有物质相 互转化的观念。一. 中国古代的物质观我国原始五行说发展到了春秋时代，又出现了五行相生相克 的学说，即 五行依一定的相生次序而相生；又依一定的相克次序而相征服 。这种关系深刻地揭示了组成世界的五种基本物质元素在相互 转化的复杂变换过程中，生成和消失的速率是受控的，在量上 是互补的，因而元素的种类和总量不增不减，物质守恒。木生火，火生土，土生金， 金生水，水生木；木克土，土克水，水克火， 火克金，金克木。

3、“阴阳八卦”说 这一学说起源于殷周之际，实际上也是一种 原始的元素论。它从人们生活经常接触的自然界中选取了八种 东西作为说明世界上其他多种东西的根源。所谓八卦，即用八种符号来表 示八种自然现象，而这八卦是由阳 爻（音挑yao）用“”表示和阴 爻用“- -”表示，阳爻和阴爻排列 为八卦，再由八卦排列为卦。 八卦分别是乾、坤、震、巽（xun） 、坎、离、艮、兑等，它们分别表 示天、地、雷、风、水、火、山、 泽。世界就是在阴阳两种对抗物质 势力运动推动下孳生着。发展着。 这是一种十分朴素的万物生成的唯 物主义观念。玻尔族徽二.中国古代的力学知识力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产 劳动中的实践

4、经验，并逐步发展为生产技术和初步的 自然哲理，这在东西方古代都是如此。在我国古代，手工工艺技术成果远比经验性的理 论总结突出得多，这是中国古代对力学研究的主要特 点。从时间来看，大体可分为春秋战国、两汉、宋明 三个高潮。（1）春秋战国时期（公元前770前221年）公元前316年，蜀守李冰修建都江堰，“正面取水，侧面排 沙”，其飞沙堰工程巧妙地利用了弯道环流，说明当时测河水 流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平 ，成都平原二千多年来始终受益。传为齐人著的考工记，是记录我国古代农具、兵器、乐 器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著。其中 惯性现象的记述“马力既竭，輈（z

5、hu，指车辕）犹能一取焉 ”，车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡一样费劲 ），箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强则扬，羽 丰则迟”），以及堤坝设计的经验尺寸等，都反映了我国当时 的生产技术水平和经验知识水平。与考工记几乎同时的墨经，则进一步得出一些初 步的力学哲理（如“奋”、“衡”、“本”、“标”、“重”、“权”等） ，给力下了比较科学的定义：“力，刑（形）之所以奋也。”可 惜这一形成科学的抽象思维进程在后世没有顺利继续下去。这 一时期是以记录与积累生产经验为主，也形成了初步哲理。（2）两汉到五代时期（前206960）简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联 合机械，如张衡的水运浑天

6、仪、候风地动仪 ，西汉未巧工丁缓（公元1世纪）的“被中 香炉”是世界上已知最早的常平支架，祖冲 之（429500年）的水磨等等。被中香炉是中国古代盛香料熏被褥的球形小炉 。它的球形外壳和位于中心的半球形炉体之间 有两层或三层同心圆环。炉体、内环、外环和 外壳内壁的支承轴线依次互相垂直。炉体由于 重力作用，不论球如何滚转，炉口总是保持水 平状态。隋代造船业已很发达，如隋炀帝的龙舟已高40尺，宽50尺 ，长200尺。李春主持建造的河北洨河赵县安济桥（公元595 605年），跨度最大（37.02米），弧度最浅（拱矢高723米 ），至今1300多年，下沉水平差只有5厘米，说明实用结构力 学发展的水平。

7、上述种种成就，集之于书的不多，北齐信都芳曾“集浑天、 地动、攲器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”，但已散失。这一时期带有直觉经验型的物理哲理性著作是王充的论衡 ，在他的著作中对于运动的疾舒（快慢）、力与运动、物与 运动、内力与外力的关系等作了叙述。浮力的利用甚多，如：浮桥的建造唐李吉甫：“以船为脚 ，竹篾亘（gn，横贯。）之”，“架黄河为之”；东晋僧人 惠远在庐山造莲花漏作为记时工具：“取铜叶制器，状如莲花 ，置盆水之上，孔底漏水，半之则沉”，即莲花漏由孔底进水 到一半时就逐渐下沉，“每一昼夜十二沉”，非常巧妙。还有 著名的曹冲称象的故事等。中国古代很早就对运动的相对性进行了研究，并得出了类 似于

8、后来伽利略的运动相对性原理。成书于东汉时代的尚书 纬考灵曜（著者不详，收入明代孙毅编纂的古微书卷 一尚书纬），该书在提出“地有四游，冬至地上行北而西 三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋二分是其中矣”的同 时，提出了著名论断：“地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不 觉舟之运也。”这种对运动相对性的观点，考灵曜比伽利 略的对话至少早约1500年。此观点说明我国古代物理思想 达到过的高度。这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃， 但对物理现象很少作定量叙述。（3）宋元明时期（9601644）苏颂（10201101）和韩公廉1092年建成了我国古代最大 型的先进天文钟楼“水运仪象台”，其结构详

9、细载于苏颂新 仪象法要中，它涉及天文、力学、机械制造，其中有相当于 钟表擒纵器的“天衡”，是保证等时性的杠杆装置。元代郭守 敬（12311316）在天文仪器制造的种类（简仪、仰仪、定时 仪、日月食仪等十几种）、结构和精度方面达到很高水平。宋代曾公亮（9971087）在武经总要这一军事著作中 除记载兵工机械、枪炮、军用油泵（“猛火油柜”）等外，还 在寻水泉法中详载了虹吸管（“渴乌”），它在后汉书 张让传及唐代通典中都有记载，包括“取大竹去节” ，“油灰黄蜡固封”竹首插入水中五尺”，烧火使“火气潜通 ”入水，“则水自中逆上”等。河北石家庄隆兴寺的转轮藏建于北宋，人在台上绕轴走动 时轮藏会缓慢地反向

10、转动，这实际上是动量矩原理的应用。宋应星（15871644（？）的天工开物是明代农业 和手工业生产技术的百科全书，在卷十五佳兵篇中记述了 测试弓弦弹力大小的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩 搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分 巧妙。该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回翻印本 。总的来说，我国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往 往密不可分，但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、 保存流传都未受到重视，致使技术特别是科技理论不能代替 人力形成明显的生产力，科举八股把教育与知识分子的注意 力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技 术积累而又散失，缺乏

11、系统整理，一方面是经验性的定性的 力学概念始终带有思辨色彩（如“气”、“道”、“理”），缺乏数学的定量引用和系统实验的基础，因此经典力学理论只能 等待西方传入。三. 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。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，

12、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。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。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

13、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。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

14、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。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，

15、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

16、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。四. 中国古代的光学知识我国古代对光的认识是和生产