1、中国古代玩具中的物理学原理第 29 卷第 3 期20o8 年物理教师PHYSICSTEACHERVlo1.29No.3(2008)中国古代玩具中的物理学原理全宏瑞,(桂林师范高等专科学校物理与信息技术系,广西桂林 541001)中国古代玩具源远流长,可追溯到原始社会乃至更早的时期.考古发现的史前遗物证实了中国在距今 6oo010oo0 年的新石器时期就已出现了原始玩具.玩具的产生是在人类社会活动基础上,对社会生活所做出的反映,是为了适应人类生产生活需要而被创作出来的娱乐器具.涉及到美学,心理学,史学,商品学科以及自然科学的许多内容.本文从物理学角度出发,探讨物理知识在中国古代玩具中的应用.1
2、风筝中国是风筝的故乡.每逢清明前后,春风送暖,绿草如茵.人们便纷纷走向野外,一边踏青,一边放风筝.既是一种艺术享受,也是对心情的陶冶.风筝,又叫纸鸢,纸鹞等,已有 2000 多年历史.早在春秋战国时代,“墨子为木鸢, 三年而成.蜚一日而败.“LlJ“公输子削竹木为鹊,成而飞之,三日不下.“L2J 由此可见,最初的风筝,是用木头制成的,可能没有牵引线.到了汉代,有人发明了纸,才出现用竹制框架,以纸糊之,以线牵之,放之空中的“ 纸鸢 “.五代时 ,李邺在宫中以线引纸鸢为戏 ,并别出心裁地在鸢的头部安装了竹笛,纸鸢飞行时,风入竹哨,发出古筝般的声响,煞是好听,因而得名“风筝“.风筝是一种简易的滑翔飞
3、行器.由于风筝形似鸢,鹞等飞行动物.它的翅膀上凸下平,因此风筝飞行时,筝体上面空气流速快,压强小,而筝体下面空气流速慢,压强大.这样筝体上下会产生压强差.从而形成一股向上的升力,使风筝飞上天空.风筝在中国古代最初是一种工具.春秋时,“公输班为木鸢以窥宋城“,创造用风筝作为战争侦察手段之先例.据独异志)记载,公元 549 年,“候景围台城,简女作纸鸢 ,飞空告急于外“,蠡海集)还介绍了用风筝测风的科学实验.早在 2 多年前,风筝作为交通工具,“负人载物,超险阻.000而飞达,越川 I 泽而空递“,以弥补“ 舆马之不能,舟辑之不逮“. 在美国国家航空和空间博物馆里.有一块牌子上醒目地写着:“ 最早
4、的飞行器是中国的风筝和火箭“, 难怪李约瑟把风筝列为中华民族的重大科技发明之一.2 飞车飞车,又名竹蜻蜒,古代飞行玩具.现在的飞车,通常用竹片或木片作飞翼.飞翼下安一转柄,转柄套入用竹筒做成的手柄中.在手柄一侧开孔,将绳索穿过小孔后缠在转柄上,绳的一端露在手柄外,用力抽出绳索,翼片即向空中飞去.据抱朴子载:“用枣木心为飞车,以牛革结环剑以引其机,或存念作五蛇六龙.三牛交罡而乘之,上升四十里.名目太清.“3J 由此可见 ,最初的风车,其牵引工具是“ 环“, 即在飞翼下安一转柄“剑“, 剑的上端固定在用枣木心做的飞翼中,下端插入手柄,用牛革为弦做一弓(环),再把牛革似蛇龙般缠绕在“剑“ 上,一手握
5、住手柄 ,一手拉弦,使飞翼飞向空际.抱朴子) 以鸢打比方解释说:“鸢飞转高,则但直舒两翼,了不复摇羽扇而自进者,渐乘罡气故也.“意思是说,鸢在飞行过程中如果需要升高,只要舒开两翅就行了,而不必扇动翅膀,因为有上升的气流对其作用.这种对“太清“ 飞行原理的懈释是正确的.因为拉动弓弦时,转柄作旋转运动,而飞翼成螺旋浆状,对空气产生向下的作用力,而空气的反作用力则向上作用在飞翼上,所以飞翼向上运动.飞车是世上公认的最早的直升飞机模型,于 18 世纪传入西方,受到欧洲人的青睐,科学家常用它进行飞行表演.而在欧洲,最先制造直升飞机模型的是达芬奇,已比我国晚了 1o0O 多年.3 不倒翁不倒翁,又名酒胡子
6、,扳不倒.形似醉汉或寿星,底部半圆形.中空底实,上轻下重,按捺之后旋转不倒,是一种为人熟知的中国古代民间玩具.不倒翁出现于唐代,当时叫“酒胡子“, 是宴席上的劝酒用具.清人魏崧在壹是纪始)中列举了唐摭言)中的记载:“卢连法不第,赋酒胡子 )长篇以寓意,序目:巡觞之胡,旋转由人.今谓之不倒翁,又谓之劝酒胡.“赵翼在陔余丛考)卷三十三中也做过类似的考证:“儿童嬉戏有不倒翁,糊纸作醉汉状,虚其中而实其底,虽按捺旋转不倒也.“不倒翁形制简单,趣味性强,花色繁多,材料多样.最常见的是纸身,泥底,用纸浆灌模或用废纸粘糊成形,再用泥土捏制半圆的底座,二者粘合之后,表面糊净纸,旋彩绘.要领在于底中的表面必须光
7、滑圆润,底部中心沉重.因其旋转摇摆,按捺不倒的动态滑稽可笑,故世人常取其意用来形容处世圆滑,摇摆不定的人.在物理学中,我们把物体不易倾倒的稳定程度叫稳度,稳度的大小跟物体重心的高低和支面的大小有密切关系.物体重心越低或者支面越大,它就越稳定.反过来,重心越高或者支面越小,它就越不稳定.不倒翁巧妙地应用了这一理论:它上虚下实,重心极低,使其十分稳定;gii 它的底部却是半圆球形的,支面小到近似于一个点,这又使它变得十分不稳定.因此,不倒翁因其支面小而使它极易被按倒,但又因其重心低使它能顽强地站起来.所以,不倒翁是一个矛盾的统一体,它滑稽地表现了醉翁旋转摇摆,按捺不倒,憨容可掬的形态,包含了科学道
8、理和趣味性,特别耐人寻味.4 响葫芦响葫芦,也叫倒掖气.俗称扑扑噔,步步登,古代音响玩一5】一Vl01.29No.3(2008)物理教师PHYSICSTEACHER第 29 卷第 3 期2008 钲具.清代魏坤引倚晴阁杂钞云:“响葫芦,小儿 IZl 唧,嘘吸成声,俗名倒掖气.“4i,其实,明刘侗,于奕正在帝京景物略中就已提到:“东之琉璃厂店,西之白塔专卖琉璃瓶,盛朱鱼,转侧其影,小大俄忽.别有衔而嘘吸者,大声啧啧,小声唪唪,日倒掖气.5响葫芦用玻璃吹制而成.其吹制的方法是:先将玻璃拉成一根管子,然后将其一端吹成球,趁玻璃还软,在一个微凸的平面上一摁,使底平面略向内凹,待冷却后即成.玩响葫芦的时
9、候,对着管端轻轻吹气,当内部气压略大时,底便变形而突然外凸,随之噗地一响;然后再吸气 ,随着内部压力减小,底又噗地一响变为向内凹,这样一吹一吸,随着底的凸凹变化,响个不停.如果把喻葫芦看成是一个在外力作用下(即内部空气压强减去大气压)的变形物体,那么响葫芦的形变与外力并非线性关系.未吹气时,响葫芦底部向内凹.吹气后响葫芦内部压力增大,底逐渐向外移动.但当内部压强增加到某一定值时,继续向响葫芦吹气,响葫芦瞬间便从凹形突跳到凸形,发出清脆响声.此时若减少压强;llll 向响葫芦轻轻吸气 ,当内部压力减少到某一定值时,再继续向响葫芦吹气,响葫芦底部又从凸形突跳到未吹气时的初始状态.响葫芦再度发出响声
10、.由此可知,在吹响葫芦的过程中,响葫芦内部压强的高低都有一个临界值当压强达到临界值时,响葫芦形变的来回会突然跳动,即实现弹性突跳,响葫芦的发声正是在弹性突跳过程中形成的.由于响葫芦底薄如蝉翼,稍不留神就会破碎,正如帝京景物略中所说:“匀匀呼吸吹薄纸 ,吸少呼多瓶脱底.“ 因此吹吸响葫芦具有一定的安全隐患,所以现在已很少生产了.5 传声筒传声简,中国古代玩具.今名土电话,是一种利用固体传声的简易装置.清稗类钞详细介绍了传声简的制作过程和使用方法:“传声简者,截竹筒两枚,空其两端,各以一面用皮纸冒之,胶封甚固.两筒纸面相向,取长数丈之细线穿过之,使两人各执一筒,一人属 IZl 于此筒之空面,一人属
11、耳于彼筒之空面,相去数丈,属 IZl 者随意言语,属耳者听之了了,他人不闻也.“L6J传声筒的工作原理是:一人对着竹筒(发话筒)讲话,空气产生振动,它推动皮纸与细线振动,此时,细线另一端的皮纸也跟着振动,这样皮纸又带动竹筒(受话筒)及竹筒里的空气振动,把声音传给受话的一方.传声筒的两个竹筒,在使用过程中起到“共鸣箱 “的作用,既可发话,也可受话 .传声筒的发明,可能受到“听翁 “的启发.早在战国年代,墨家就经常利用“听翁“侦察敌情:“令陶者为罂,空四十斗以上,固(顺) 之以薄辂革,置井中,使聪耳伏罂而听之,审知穴之所在,凿穴迎之.“【7J 这里,敌人的穴道相当于发话筒,墨家的陶罂相当于受话筒,
12、而未凿通的地道则相当于传声简装置中的细线.这种设置,由于陶罂蒙皮,罂腔形成共振引起蒙皮振动,这就是容易为人所察觉.曾公亮的“卧枕闻响 “也是类似装置 :“选聪耳少睡者.令卧枕空胡鹿,其胡鹿必以野猪皮为之,凡人马行在三十里以外,东西南北皆响闻.“北宋沈括也曾提到 :“古法以牛革为矢服,卧则以为枕,取其中虚,附地枕之,数里内有马声,则皆闻之.盏虚能纳声也 J.“参考文献:1战国 韩非. 韩非子? 卷第十一.夕储说左上第三十三(百子全书第 3 册).杭州:浙江人民出版社,l984.2战国 墨子. 卷十三? 鲁问第四十九(百子全书第五册).杭州:浙江人民出版社.1984.3晋明 葛弘.抱朴子?内篇?杂
13、应卷第五.上海:世界书局.1935.70.4清于敏中等 .日下旧闻考? 卷一百五十?物产.北京 :北京古籍出版社.1985.2405.5明刘侗,于奕正 .帝京景物略? 卷之二?城东内外.北京 :北京古籍出版社,1983.67.6清徐珂.清稗类钞 ?第五册?工艺类.北京:中华书局.1984.24l7.7 百子全书?第五册 ?墨子?备城门第五十二.杭州:浙江人民出版社,l984.8北宋 沈括. 梦溪笔谈? 卷十九?器用.北京:团结出版社,1996.2l6 收稿日期:200707 一 l0(上接第 50 页) 很好地说明了这一规律.光本性的一系列假说,从微粒说到光子说,从波动说到电磁说,再到最后统一
14、为波粒二象性,经历了几百年漫长而曲折的认识过程,实际上是一个辩证的否定过程.新旧假说的更替,并不是新假说对旧假说的全盘否定,而是既克服又保留,既变革又继承,以牛顿为代表的微粒说,既有古希腊人的光粒子学说的痕迹,但又不同于光粒子学说;麦克斯韦的电磁说使惠更斯的波动说摆脱了机械波的束缚,是人类对光的本性认识的一次飞跃.同样,爱因斯坦的光子说又与牛顿的机械微粒说有着质的区别,因为光子已不是经典的机械微粒,光子说的提出,是人类对光的本性认识的又一次飞跃.3.3 要认识到真理的相对性和动态性波粒二象性的认识过程,充分地体现了物理学规律的一52 一相对性,动态性.作为认识自然规律的物理学,其包含着对与错,真与假的双重因素.包含有大量未知因素,不可能完美无缺.因此,我们应从物理规律的更替演变中认识它的条件性,局限性,认识物理理论的相对真理性.波粒二象性的认识过程,深刻地体现了物理学发展的曲折性和物理思维的独特性,这对我们发展学生的科学观,方法论和科学思维能力,进而提高他们的科学素养,具有重要的启发和教育价值.参考文献:1 李艳平,申先甲.物理学史教程.北京:科学出版社,2003.2 倪光炯,王炎森.文科物理一物理思想与人文精神的融合.北京:高等教育出版社,2005.1091343 林成滔.科学的故事.北京:中国档案出版社,2001.(收稿日期:20070912)
