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 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。）这里已十
2、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。,“阴阳八卦”说 这一学
3、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经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理
4、，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（zhu，指车辕）犹能一取焉”，车轮大小与拉力的关系（轮太低
5、，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
6、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595605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。,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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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，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
12、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
13、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
14、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，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
15、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（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
16、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、生活实践紧密相连的。它起源于
17、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
18、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
19、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) 对大气光学现象的
20、探讨,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,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
21、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。,蝴蝶杯,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
22、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。,五. 中国古代的电磁学知识,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。,(一) 中国古代的电学知识,我国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。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
23、偏旁的“電”字。,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，天气之郁而激发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。,尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟，常常可导致尖端放电发生，因这一现象多有记述。如汉书西域记中就有“元始中（公元3年）矛端生火”，晋代搜神记中也有相同记述：“戟锋皆有火光，遥望如悬烛”。避雷针是尖端放电的具体应用，我国古代地采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金，高大建筑物的瓦饰制成动物形状且冲天装设
24、，都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿，至今已有500多年历史，虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。金殿是一座全铜建筑，顶部设计十分精巧。除脊饰之外，曲率均不太大，这样的脊饰就起到了避雷针作用。,我国古人还通过仔细观察，准确地记述了雷电对不同物质的作用。南齐书中有对雷击的详细记述：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也”。即强大的放电电流通过佛面的金属膜，全属被融化。而窗户为木制，仍保持原样。,沈括在梦溪笔谈中对类似现象叙述更为详尽：“内侍李舜举家，曾为暴雷所震。其堂之西室，雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木
25、格，其中杂贮诸器，其漆器银者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢（刚），就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石。今乃金石皆铄，而草木无一毁者，非人情所测也。”,在我国，摩擦起电现象的记述颇丰，其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在西汉，春秋纬中就载有“瑇瑁（玳瑁）吸衤若（细小物体）”。论衡中也有“顿牟掇芥”，这里的顿牟也是指玳瑁。三国时的虞翻，少年时曾听说“琥珀不取腐芥”。腐芥因含水分，已成为导体，所以不被带电琥珀吸引。,西晋张华（232300）记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象：“今人梳头，脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声”。唐代段成式描述了黑暗中摩
26、擦黑猫皮起电：“猫黑者，暗中逆循其毛，即若火星”。摩擦起电也有具体应用。据宋代的张邦基墨庄漫录记载：孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑（可制香料的有机化合物碎屑）“皇宫中每幸诸阁，掷龙脑以辟（避）秽。过则以翠羽扫之，皆聚，无有遗者”。关于摩擦起电的记载还很多。,近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的，我国古代学者对电的研究，大大地丰富了人们对电的认识。,(二) 中国古代对磁的认识,我国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如史记封禅书说汉武帝命方士栾大用磁石做成的棋子“自相触击”；而椎南万毕术（西汉刘安）还有“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，
27、置局上则相拒不休”的详细记载。南北朝（512518年）的水经注（郦道元）和另一本三辅黄图都有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门，“有隐甲怀刃人门”者就会被查出的记载。,（1） 磁石的吸铁性及其应用我国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4世纪左右成书的管子中就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁的最早记载。类似的记载，在其后的吕氏春秋中也可以找到：“慈石召铁，或引之也”。在东汉以前的古籍中，一直将磁写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。,晋书马隆传记载：相传3世纪时智勇双全的马隆在一次战役中，命士兵将大批磁石堆垒在一条狭窄的小路上。身穿铁甲的敌军个个都被磁石吸住，而马隆
28、的兵将身穿犀甲，行动如常。敌军以为马隆的兵是神兵，故而大败。,古代，还常常将磁石用于医疗。史记中有用“五石散”内服治病的记载，磁石就是五石之一。晋代有用磁石吸出体内铁针的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳内，口含铁块，因而治愈耳聋。,磁石只能吸铁，而不能吸金、银、铜等其他金属，也早为我国古人所知。淮南子中有“慈石能吸铁，及其于铜则不通矣”，“慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”。,（2） 磁石的指向性及其应用在我国很早就发现了磁石的指向性，并制出了指向仪器 司南。鬼谷子中有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。稍后的韩非子中有“故先王立司南，以端朝夕”的记载。东汉王充在论衡中记有“司南之杓（
29、勺子），投之于地（中央光滑的地盘），其柢（勺的长柄）指南”。,不言而喻，司南的指向性较差。北宋时曾公亮与丁度（9901053）编撰的武经总要（1044年）在前集卷十五记载了指南鱼的使用及其制作方法，极为清晰地论述了热退磁现象的应用。当烧至通赤时，温度超过居里点，磁畴瓦解，这时成为顺磁体。再用水冷却，磁畴又重新恢复。这时鱼尾正对子位（北方），在地磁场作用下，磁畴排列具有方向性，因而被磁化。从司南到指南鱼，无疑是一个重大进步，但在使用上仍多有不便。,我国古籍中关于指南针的最早记载，始见于沈括的梦溪笔谈。该书介绍了指南针的四种用法：水法，用指南针穿过灯芯草而浮于水面；指法，将指南针搁在指甲上；碗法，
30、将指南针放在碗沿；丝悬法，将独股蚕丝用蜡粘于针腰处，在无风处悬挂。磁针的制作，采用了人工磁化方法。正是由于指南针的出现，沈括最先发现了磁偏现象，“常微偏东，不全南也”。,南宋时，陈元靓在事林广记中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑，对于指南仪器这是在结构上的一次较大改进，为将指南针用于航海提供了方便条件。,指南针用于航海的记录，最早见于宋代朱彧的萍洲可谈：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。以后，关于指南针的记载极丰。到了明代，遂有郑和下西洋，远洋航行到非洲东海岸之壮举。西方“关于指南针航海的记载，是在1207年英国纳肯（A. Neckam，11571217）的论器具中。,
31、（3） 其他与磁有关的自然现象,极光源于宇宙中的高能荷电粒子，它们在地磁场作用下折向南北极地区，与高空中的气体分子、原子碰撞，使分子、原子激发而发光。我国自公元前2000年到公元1751年，有关极光的记载达474次。在公元110世纪的180余次记载中，有确切日期的达140次之多。在西方最早记载极光的，当推亚里士多德，他称极光为“天上的裂缝”。“极光”这一名称，始于法国哲学家伽桑迪。,太阳黑子也是一种磁现象。在欧洲人还一直认为太阳是完美无缺的天体时，我国先人早已发现了太阳黑子。自公元前165年1643年（明崇祯十六年）史书中观测黑子的记录为127次。这些古代观测资料为今人研究太阳活动提供了极为珍
32、贵、翔实可靠的资料。,遗憾的是，中国古代关于磁的认识尽管极为丰富，但关于磁现象的本质及解释，往往又是含糊的，缺乏深入细致的研究。就连被称作“中国科学史上的坐标”的沈括，对磁现象也认为，“莫可原其理”，“未深考耳”，致使在我国历史上，一直未能产生可与英国吉尔伯特论磁比美的著作。,六. 中国古代的声学知识,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
33、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。,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
34、）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
35、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”。,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
36、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“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
37、瑟时发现共振现象，沈括在弦共振时作纸人试验，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。,山西永济县普救寺莺莺塔初建于隋唐，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，整个塔身和塔檐由涂釉青砖建成，这些青砖的声反射系
38、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。,七. 中国古代物理学的特点,中国古代物理学历史悠久，源远流长，具有连续发展与阶段高潮的特点。 与同一古代时期
39、的任何一个民族相比，中国古代物理学具有特别丰富的内容，在力、热光、电、声、磁和物质结构诸方面都有充分的发展。 中国古代物理学在内容上，虽然主要是对自然现象的观察与描述，但古人观察得特别敏锐，描述得非常细致。而且能在“不原其理”的情况下以巧思对物理现象加以应用。 在思维方法上，虽然主要是直观的观察与猜测，但突出体现了中国整体思维的特点：注重整体、着重联系、界限模糊。 在社会功能上，有实用性的特点，集中体现在高超的技术成就及与各种哲学思想的融会上。,中国古代物理学的不足之处：,在内容上，较多的是对具体物理现象的孤立考察，缺少对现象的归纳和总结，因此少有物理理论。 在研究方法上，由于受到整体思维理论框架的束缚，对物理现象的思考与解释通常采用一般的模糊的、形象的证明方式，常是笼统的，可此可彼的泛泛方法。缺乏对物理现象的具体分析与逻辑思考。 缺乏与数学的结合，不善于用数学语言来描述，因此很难正确把握物理规律和建立理论。 在物理实验上很少进行定量的研究，缺乏碓实验的重视。,思考题: 中国古代有哪些突出的物理学成就?有哪些重要的物理学家? 沈括有哪些科学贡献? 中国古代物理学发展的特点是什么? 简述近代物理学未能在中国诞生的原因。,
