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1、1辽宋夏金时期的物理学力学对大气压力（压强）的进一步认识及更广泛应用宋代时，俞琰曾谈到：“予幼时有道人见教，则剧烧片纸纳空瓶，急覆于银盆水中，水皆涌入瓶，而银盆铿然有声，盖火气使之然也。又依法放于壮夫腹上，挈之不坠。 ”把燃烧的纸片投入瓶里，会使瓶里的一部分空气排出瓶外，瓶内的压力由此减小，形成负压。这时如将瓶子放入水中，大气压力就会使水涌入瓶内。若用类似的方法，则大气压力会使瓶子紧压在人腹部，现在人们熟知的拔火罐，其原理就是如此。应用大气压强制作虹吸管和唧筒，当时人也有许多记载。如：宋代曾公亮的兵书武经总要记述：“凡水泉有峻山阻隔者，取大竹去节，雄雌相合，油灰黄蜡固缝，勿令气泄，推竹首插水中
2、五尺，于竹末烧松桦薪或干草，使火气自竹内潜通水所，则水自（竹）中逆上。 ”这与唐代杜佑在通典中所述的方法相似。在武经总要中曾公亮还记述用于灭火的唧筒：“唧筒，用长竹，下开窍，以絮裹水杆，自窍唧水。 ”利用裹了絮的水杆的往复运动，把水吸上来。这种唧筒实际上是后世活塞泵的前身。苏轼在东坡志林中也记载了这种设备：“蜀去海远，取盐于井。.自庆历、皇祐以来，蜀始创筒井，用圜刃凿如碗大，深者数十丈。以巨竹去节，牝牡相衔为井，以隔横入淡水，则咸泉自上。又以竹之差小者，出入井中为筒，无底而窍其上，悬熟皮数寸，出入水中，气自呼吸而启闭之，一筒致水数斗。凡筒井皆用机械，利之所在，人无不知。 ”可知唧筒已广泛应用于
3、四川的井盐开采。对液体性质的深入认识这一时期对浮力的原理及应用有了更深的认识。 宋史记载僧人怀丙打捞铁牛的故事，就是借浮力起重的典型事例。 “河中府浮梁，用铁牛八维之，一牛且数万斤。后水暴涨绝梁，牵牛没于河，募能出之者。怀丙以二大舟实土夹牛维之，用大木为权衡状钩牛，徐去其土，舟浮牛出。 ”怀丙的方法，当为今人所使用的浮箱打捞法之肇始。表面张力是液体的一个重要特性，实质上是分子力的一种表现。汉代时，人们对表面张力现象已有所认识。到了宋代，人们将此现象应用于桐油质量的检验：“验真桐油之法，以细篾一头作圈子，入油蘸。若真者，则如鼓面鞔圈子上；掺有伪，则不著圈上矣。 ”因存在表面张力的缘故，纯净的桐油
4、可附着在细竹篾圈上形成一薄膜，而有杂质的桐油就不能形成薄膜。 俞琰：席上腐谈卷上。 武经总要前集卷 6“寻水泉法” 。 武经总要前集卷 16“守城” 。 苏轼：东坡志林卷 4“井河筒井用水鞴法” 。 宋史卷 462僧怀丙传 。 张世南：游宦纪闻卷 2。周密在齐东野语中还记载了一种以少许净水调开熊胆以去除眼球表面尘土的方法：“熊胆善辟尘。试之之法，以净水一器，尘幂其上，投胆粟许，则凝尘豁然而开。以之治目障翳，极验。 ”这是由于熊胆溶于水后，在水面形成薄膜，膜的表面张力会将水面尘埃推开，因此可用来清洗和除去眼球表面的灰尘。对于液体浓度的测定，这时也有了较为科学的方法，这主要反映在检验盐卤的浓度方面
5、。因为在制盐过程中，确定盐卤是否有煎煮的价值，就是根据其浓度来决定的。北宋初年，赞宁在物类相感志中说：“盐卤好者，以石莲投之则浮。 ”乐史记述了以 10 个莲子来测定盐卤浓度的方法：“取石连（莲）十枚，尝其厚薄，全浮者全收盐，半浮者半收盐，三簾（莲）已2（以）下浮者则卤未堪。 ”说明浮起的莲子数目越多，盐卤的浓度越大，制盐价值越高。南宋姚宽记述：“予监台州杜渎盐场，日以莲子试卤。择莲子重者用之。卤浮三莲四莲味重，五莲尤重。莲子取其浮而直，若二莲直，或一直一横，即味差薄；若卤更薄，即莲沉于底，而煎盐不成。闽中之法，以鸡子、桃仁试之，卤味重，则正浮在上；咸淡相半，则二物俱沉，与此相类。 ”这里说到
6、莲子在浓度不同的盐卤中呈现不同的浮沉状态，同时还记载了福建人用鸡蛋和桃仁测试盐卤浓度的方法。这一时期有关用莲子等测定盐卤浓度的记载还有许多，可以见于吴仁杰离骚草木疏卷 1、吴曾能改斋漫录卷 15 等。热学至迟在宋代，我国已发明了“走马灯” ，其灯上有“马骑人物，旋转如飞”。具体制作是在一个圆形或方形的灯笼中，有一立轴，立轴上方固定一叶轮。立轴底部的近旁，装有烛座。蜡烛点燃后，热空气上升，推动叶轮转动，从而带动立轴旋转。立轴中部交叉安装的两根铁丝的外端贴有纸剪的人马等，亦随立轴旋转。因此人马的影子投射到灯笼上，看起来“车驰马骤，团团不休”。走马灯在宋代的许多诗文著作中均有记述，如范成大石湖居士诗
7、集卷23上元纪吴中节物俳谐体三十二韵 ；姜夔白石道人诗集卷下观灯口号十首之七；金盈之醉翁谈录卷 3京城风俗记 ；吴自牧梦粱录卷 13“夜市”条等。这种应用热气流而用作玩具的走马灯，与现代的燃气轮机，其根本原理是相同的。 太平寰宇记卷 130“淮南道八海陵监刺土成盐法” 。 姚宽辑：西溪丛语卷上。 周密：武林旧事卷 2“灯品” 。 刘侗：帝京景物略卷 2“城东内外灯市” 。 参见刘仙洲：中国机械工程发明史 ，科学出版社 1962 年版，第 72 页。声学固体传声和气腔共振在战争中的应用宋代曾公亮在兵书武经总要中总结了利用固体传声及共振效应在战争中进行侦探的方法“瓮听”和“地听”：“瓮听，用七石瓮
8、，覆于地道内，择耳聪人坐听于瓮下，以防城中凿地道迎我。 ”“地听，于城内八方，穴地如井，各深二丈，勿及泉，令听事聪审者，以新瓮自覆于井中，坐而听之，凡贼至，去城数百步内，有穴城凿地道者，皆声闻，瓮中可以辨方向远近。 ”这两种方法与墨子备穴及太白阴经 、 通典中所述类同，是我国古代战争中一直使用的方法。此外， 武经总要还记述了另一种方法：“选聪耳少睡者，令卧枕空胡鹿，其胡鹿必以野猪皮为之，凡人马行在三十里外，东西南北皆响闻。 ”这种方法实质上是以野猪皮做成的称为“空胡鹿”的卧枕代替瓮，因此更加方便实用。沈括在梦溪笔谈中亦记述了以牛皮箭袋当卧枕，能听见数里内的人马声：“古法以牛革为矢服，卧则以为枕
9、，取其中虚，附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之，盖虚能纳声也。 ”振动的音乐效果我国古代很早就将乐钟铸成合瓦之形，在先秦的著作中已述及编钟及其发声特性。沈括在梦溪笔谈补笔谈中指出：“古乐钟皆扁，如盒（合）瓦，盖钟圆则声长，扁则声短。声短则节，声长则曲，节短处声皆相乱，不成音律。后人不知此意，悉为圆钟，急叩之多晃晃尔，清浊不复可辨。 ”沈括的这段文字解释了我国古代乐钟所以是扁形的道理，是合乎科学原理的。因为钟的振动是一种复杂的板振动，圆钟的振动衰减很慢，在演奏中快速敲击时，声波易发生相互干扰而不成音律；而扁钟的振动衰减较快，演奏时可避免声波相互干扰的问题。3古代对于声音的效果亦很重视。比如为了得
10、到较洪亮的声音，在戏剧舞台下埋设大缸，以期产生共鸣。南宋赵希鹄认为：“前辈或埋瓮于地上鸣琴，此说恐妄传。盖弹琴之室宜实不宜虚，最宜重楼之下。盖上有楼板，则声不散；其下空旷清幽，则声透彻。若高堂大厦，则声散；小阁密室，则声不达；园囿亭榭，尤非所宜。若幽人逸士，于高林大木或岩洞石室之下，地幽境寂，更有泉石之胜，则琴声愈清，与广寒月殿何异也。 ”他分析指出了在不同的环境之中，琴声传播的效果是不同的。关于振动和共振及其实验“喷水鱼洗”是大约起源于唐宋年间的一种器物。现在已知的最早记载见于宋代何薳的春渚纪闻卷 9“纪研跃鱼见木石中” ，及王明清的挥麈录前录 。 春渚纪闻提到晋出帝迁黄龙府曾献鱼盆， “鱼
11、盆则一木素盆也，方圆二尺，中有木纹成二鱼状，鳞鬣毕具，长五寸许。若贮水用，则双鱼隐然涌起，顷之遂成真鱼，覆之则宛然木纹之鱼也。 ”并说：“至今句容人铸铜为洗，名双鱼者，用其遗制也。 ”挥麈录前录则提到韩似夫使金国时，金主命取磁盆一枚示之，说是晋少主献给耶律氏的礼品， “中有画双鲤存矣，水满则跳跃如生，覆之无它矣” 。这两条所记当为同一物件，但为木为瓷尚待考订。现今可见的铜洗外形似脸盆，盆内底部刻有四条鱼。当用手掌摩擦这种鱼洗的双耳时，水面会出现振动花纹，四条鱼的口沟处甚至水花喷溅达尺余，鱼洗亦发出震耳的嗡嗡声。这种器物的振动实为板振动，振动过程类似于圆钟的空气振动。喷水的原理实际上就是，振动产
12、生的四节线振波引起了水的激荡，看上去就像鱼在水中跃动而水花喷溅一般。 武经总要前集卷 12“守城” 。 武经总要前集卷 6“警备法” 。 洞天清录集卷 1古琴辩 。沈括曾进行过弦共振的实验：“琴瑟弦皆有应声，宫弦则应少宫，商弦则应少商，其余皆隔四相应。今曲中有声者，须依此用之。欲知其应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦则不动。声律高下苟同，虽在他琴鼓之，应弦也震，此之谓正声。 ”从现代振动理论可知，外力频率与振动体固有频率成简单整数比时，都能引起振动体的振幅增大，即发生共振。沈括的实验证明琴瑟的弦宫应少宫、商应少商或隔四相应，事实上它们的振动频率比恰为 12 或 23
13、。周密在癸辛杂识续集中也提到他所进行的类似的研究与实验：“琴间指以一与四，二与五、六，四与七为应。今凡动第一弦，则第四弦自然而动。试以羽毛轻纤之物，果然。此气之自然相感动之妙。 ”这里，周密用“羽毛轻纤之物”也证明琴弦“隔四相应”的共振现象。光学关于针孔成像及圆球受光的认识沈括的梦溪笔谈记述：“若鸢飞空中，其影随鸢而移；或中间为窗隙所束，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，与阳燧一也。 ”这里沈括指出了运动物体（“鸢” ）通过小孔（“窗隙” ）所成的像与其运动方向相反，并将这一事实与楼塔通过小孔所成之像的倒立、以及凹面镜成像联系起来。沈括指出：“
14、日月之形如丸，何以知之？以月盈亏可验也。月本无光，犹银丸，日耀之，乃光耳。光之初生，日在其傍，故光侧而所见才如钩；日渐远，则斜照而光稍满，如一弹丸。以粉涂其半，侧视之，则粉处如钩；对视之，则正圆。此有以知其如丸也。 ”沈括根据自己实4验和观察对之作了科学的解释。球面镜成像沈括在梦溪笔谈中指出：“阳燧照物皆倒，中间有碍故也。.阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。.阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内。离镜一二寸，光聚为一点，大如麻菽，著物则火发。 ”这里，沈括认为凹面镜（“阳燧” ）成像为倒像，是因凹面镜具有焦点（“碍” ） 的缘故。 梦溪笔谈补笔谈 。 梦溪笔谈卷 3“辩证一” 。
15、 梦溪笔谈卷 7“象数一” 。 梦溪笔谈卷 3“辩证一” 。他从实验结果总结了凹面镜的成像规律及其与焦点的位置关系：手指从镜面处向外移，起初得到的是正立的（虚）像；手指将近焦点时，镜中看不到像了（即此时成像在无穷远处） ；手指再远移，则生成倒立的（实）像。他在日光下进行的实验，凹面镜反射的光会聚在离镜面一二寸的地方，焦点很小。这说明当时磨制镜面的技术已相当高超，镜面的反射性能很好。沈括还指出：“古人铸鉴，鉴大则平，鉴小则凸。凡鉴洼则照人面大，凸则照人面小，小鉴不能全观人面，故令微凸，收人面令小，则鉴虽小而能全纳人面。仍复量鉴之小大，增损高下，常令人面与鉴大小相若，此工之巧智。后人不能造，比得古
16、鉴，皆刮磨令平，此师旷所以伤知音也。”凸面镜成像为正立缩小的虚像。古人制镜时，大镜铸得平一些，小镜铸得凸一些。凹面镜照出人脸会稍大一些，凸面镜照出人脸稍小些。小的镜子要照出人的整个脸。必须造得稍微凸一些。因此造镜时，必须反复测量镜的大小来决定增减镜面的曲率，以便使照出的人脸与镜的大小相称。沈括的分析是完全正确的。五代南唐谭峭在化书中，对物体经面镜或透镜反射或折射后成像现象的论述，也是很精彩的。色散知识这一时期，人们不仅对虹的成因有所了解，并进而掌握了观察虹的角度、虹出现的位置和方向等。南宋蔡卞指出：“先儒以为云（薄）漏日，日照雨滴则虹蜺生。今以水喷日，自侧视之，则晕为虹蜺。虽则虹生于地之气，不晕于日不成也。故今雨气成虹，朝阳射之则在西，夕阳射之则
