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基本单位历史沿革 物理量之间通过各种物理定律和有关的定义彼此建立联系。人们往往取其中的一些作为基本物理量，以它们的单位作为基本单位，形成配套的单位体系，其他的单位可以由此推出，这就是单位制。 由于历史的原因，世界各国一直通过有各种不同的单位体制，混乱复杂。不同行业采用的单位也不尽相同，例如：法国曾通用米-吨-秒制，英美曾通用英尺-磅-秒制，技术领域中采用工程单位制，即米-千克力-秒制，而物理学则习惯于厘米-克-秒(CGS)单位制。这对经济交往和科技工作都十分不利。为了便于国际间进行工业技术的交流，1875年在签署米制公约时，规定以米为长度单位，以千克为质量单位，以秒为时间单位。这就是众所周知的米-千克-秒(MKS)单位制。 几种电磁单位制 电磁学中单位和单位制更为混乱，几经变革，走过了一条曲折的道路。 早在1832年，高斯在他的著名论文换算成绝对单位的地磁强度一文中就强调指出：必须用根据力学中的力的单位进行的绝对测量来代替用磁针进行的地磁测量。他为此提出了一种以毫米、毫克和秒为基本单位的绝对电磁单位制。高斯的主张得到了W.韦伯的支持，韦伯把高斯的工作推广到其它电学量。然而遗憾的是，电磁量实际上可以由两个互个相容的方程系来描述，因为两个库仑定律都可以当作定义性方程：一个是静电学的库仑定律，一个是静磁学的库仑定律。于是出现了两种“绝对”电磁学单位。19世纪50年代初，英国的W.汤姆生(开尔文)也做了类似的工作。他根据英国力学单位进行了与电信有关的一些电测量。1861年，英国的布赖特(C.Bright)和克拉克(L.Clark)发表论电量和电阻标准的形成一文，倡议建立一种统一的实用单位。他们的倡议得到了W.汤姆生的支持。于是这一年英国科学促进会成立了以W.汤姆生为首的六人电标准委员会，其宗旨是统一电阻和电容的标准，建立恰当的实用单位，并确定绝对单位和实用单位的换算关系。这个委员会主张用厘米-克-秒作为基本单位，于是又形成了两种单位制：厘米-克-秒静电单位制(CGSE或esu)和厘米-克-秒电磁单位制(CGSM或emu)。 麦克斯韦也是这个委员会的成员。他对单位的规范和统一非常关心，亲自作了许多实验，提出了不少有益的建议。例如。他在1865年写道“至今采用的命名方法缺点很多。在涉及各个测量时，我们必须说明哪个数是表示静电单位的值还是电磁绝对单位的值。如果运用到乘法，乘得的结果也必须加以命名，而且还必须牵涉到长度、质量和时间的单位标准，因为有些作者用磅而有些用克，有些用米而有些用毫米作基本单位。这样繁琐的命名和由此带来错误的危险应该避免”。 在六人电标准委员会的倡议下，英国科学促进会决定采用如下一些实用单位：电阻用欧姆，1欧姆10e9厘米-克-秒电磁单位制的电阻单位；电势用伏特，1伏特10e8厘米-克-秒电磁单位制的电势单位。1881年巴黎第一届国际电学家大会批准了一方案，并决定再增加电流的实用单位：安培，规定1伏特电势差加在1欧姆电阻上产生的电流强度为1安培，它等于110厘米-克-秒电磁单位制的电流单位。与此同时，还引入了电量的实用单位库仑和电容的实用单位法拉。这些单位沿用至今。这样就形成了电磁量中的第三套单位制，即实用单位制。本来这套实用单位是附属于厘米-克-秒电磁单位制的，取的仍是“绝对”定义。然而，为了检验的方便，有人主张再为这些实用单位选定一些实物基准。于是在1893年在芝加哥召开的第四届国际电学家大会上为这些实用单位另行规定了实物基准，并且把这些实用单位分别冠以“国际”词头。下面引一段当时的决议： “决议，本届国际电学家大会代表各自政府的委托，正式采用以下单位作为电学计量的法定单位： “欧姆以国际欧姆作为电阻单位，它以等于10e9CGS电磁单位电阻的欧姆作为基础，用恒定电流在融冰温度时通过质量为14.4521克，长度为106.3厘米，横截面恒定的水银柱所受到的电阻来代表。” “安培以国际安培作为电流单位，它等于CGS电磁单位的110，在实用上取通过硝酸银水溶液在规定条件下以每秒0.001118克的速率使银沉淀的恒定电流来代表已足够精确”。 同时大会还对国际伏特、国际库仑、国际法拉都作了相应的规定。 这样就出现了历史上第一套“国际”单位，这套单位不甚完备，因此提出之初，没有得到普遍承认。 电磁学单位制的变迁经历了一个相当曲折的过程。除了CGSM单位制，CGSE单位制和实用单位制以外，还有高斯单位制。高斯单位制在物理学中运用广泛，至今还常见于文献。 乔治MKS制和有理化MKS制 早在1901年，意大利乔治(G.George)就曾提出，如果在长度、质量和时间这三个基本单位之外，再增加一个电学量作为基本单位，就可以建立一种包括力学和整个电磁现象在内的一贯单位制。他当时建议用米、千克、秒和欧姆，之所以想选取欧姆，是因为电阻可以用性能特别稳定的材料来代表。 经过各国际组织长期讨论，国际计量委员会在1935年接受了乔治的建议，但是否定了他把电阻作为第四个基本量的意见，代之以下列更科学、更合理的方案： (1)写成有理化形式的方程中的真空磁导率，定义为410e(-7)牛顿安培e2。此处牛顿是被引入作为力的米-千克-秒单位制中的新单位。 (2)根据两平行载流导线之间的力规定安培。 由于第二次世界大战的干扰，这一套有理化MKS制直到1948年才开始采用。 基本单位中除了三个力学量外，再增加一个电磁量，这一措施有重大意义。十九世纪许多科学家主张用力学量单位作为基本单位，反映了他们的机械论观点。当时人们总认为，一切自然现象(包括电磁现象)最终都应归属于机械运动。但是，科学的发展打破了传统观念。基本单位的扩大，反映了观念的更新。1882-3年，英国的赫维赛(O.Heaviside)首先提出有理化问题，他发现电磁学公式中4的分布不尽合理。1891年裴雷(J.Perry)建议，如果取真空磁导率0410e(-7)，就可以使电磁学公式得到更简洁的表达式，这就是1935年国际计量委员会作出上述决定的又一历史背景。 在电磁学单位制中磁学量的单位特别复杂，很容易混淆，这主要是因为磁学本身经历了一个概念含混的时期。最早的库仑定律是建立在磁荷概念之上的，但是实际上正负磁荷并不能象正负电荷那样单独存在。 1900年，国际电学家大会赞同美国电气工程师协会(AIEE)的提案，决定CGSM制磁场强度的单位名称为高斯，这实际上是一场误会。AIEE原来的提案是把高斯作为磁通密度B的单位，由于翻译成法文时误译为磁场强度，造成了混淆。当时的CGSM制和高斯单位制中真空磁导率0是无量纲的纯数1，所以，真空中的B和H没有什么区别，致使一度B和H都用同一个单位高斯。 但是，磁场强度H和磁通密度B在本质上毕竟是两个不同的概念。1900年后，就在科技界中展开了一场关于B和H性质是否相同的讨论，同时也讨论到电位移D和电场强度E的区别问题。 直至1930年7月，国际电工委员会才在广泛讨论的基础上作出决定：真空磁导率0有量纲，B和H性质不同，B和D对应，H和E对应，在CGSM单位制中以高斯作为B的单位，以奥斯特作为H的单位。 国际单位制 第二次世界大战后，出现了进一步加强国际合作的趋势，迫切要求改进计量单位和单位制的统一。在这以前，多种单位制并存在局面使各国科技人员伤透了胸筋，贻误了许多工作。 1948年第九届国际计量大会要求国际计量委员会在科学技术领域中开展国际征询，并对上述情况进行研究。在这个基础上，1954年第十届国际计量大会决定将实用单位制扩大为六个基本单位，即米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉，其中开尔文是绝对温度的单位，坎德拉是发光强度的单位。 1960年第十一届国际计量大会决定将上述六个基本单位为基础的单位制命名为国际单位制，并以SI(法文Le System International elUnites的缩写)表示。 1971年第十四届国际计量大会增补了一个基本量和单位，这就是“物质的量”及其单位摩尔，定义它为：摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数相等。 同时SI单位制中还规定了一系列配套的导出单位和通用的词冠，形成了一套严密、完整、科学的单位制。 SI单位制的提出和完善是国际科技合作的一项重要成果，也是物理学发展的又一标志。 国际单位制比起其他单位制来有许多优点：一是通用性，适用于任何一个科学技术部门，也适用于商品流通领域和社会日常生活；二是科学性和简明性，构成原则科学明了，采用十进制，换算简便；三是准确性，单位都有严格的定义和精确的基准。 单位制沿革古代常以人体的一部分作为长度的单位。例如我国三国时期(公元三世纪初)王肃编的孔子家语一书中记载有：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻。”两臂伸开长八尺，就是一寻。还有记载说：“十尺为丈，人长八尺，故曰丈夫。”可见，古时量物，寸与指、尺与手、寻与身有一一对应的关系。 西方古代经常使用的长度单位中有所谓的“腕尺”，约合5253厘米，与从手的中指尖到肘之间的长度有密切关系。 也有用实物作为长度单位依据的。例如，英制中的英寸来源于三粒圆而干的大麦粒一个接一个排成的长度。 多少年来世界各国通行种类繁多的长度单位，甚至一个国家或地区在不同时期采用不同的长度单位，杂乱无章，极不统一，对商品的流通造成许多麻烦。所以，随着科学技术的进步，长度单位逐渐趋于统一，这个进程早在几百年前就已经开始了。 1790年法国国民议会通过决议，责成法国科学院研究如何建立长度和质量等基本物理量的基准，为统一计量单位打好基础。次年，又决定采用通过巴黎的地球子午线的四分之一的千万分之一为长度单位，选取古希腊文中“metron”一词作为这个单位的名称，后来演变为“meter”，中文译成“米突”或“米”。从1792年开始，法国天文学家用了7年时间，测量通过巴黎的地球子午线，并根据测量结果制成了米的铂质原器，这支米原器一直保存在巴黎档案局里。 法国人开创米制后，由于这一体制比较科学，使用方便，欧洲大陆各国相继采用。 后来又作了测量，发现这一米原器并不正好等于地球子午线的四千万分之一，而是大了0.2毫米。人们认为，以后测量技术还会不断进步，热必会再发现偏差，与其修改米原器的长度，不如就以这根铂质米原器为基准，从而统一所有的长度计量。 1875年5月20日由法国政府出面，召开了20个国家政府代表会议，正式签置了米制公约，公认米制为国际通用的计量单位。同时决定成立国际计量委员会和国际计量局。到1985年10月止，米制公约成员国已有47个。我国于1977年参加。 国际计量局经过几年的研究，用含铂90%、铱10%的合金精心设计和制成了30根横截面呈X琪的米原器。这种形状最坚固又最省料，铂铱合金的特点则是膨胀系数极小。这30根米原器分别跟铂质米原器比对，经过遴选，取其中一根作为国际米原器。1889年，国际计量委员会批准了这项工作，并且宣布：1米的长度等于这根截面为X形的铂铱合金尺两端刻线记号间在冰融点温度时的距离。 其余一些米原器都与国际米原器作过比对，后来大多分发给会员国，成为各国的国家基准，以后每隔几十年都要进行周期检定，以确保长度基准的一致性。 然而实际上米原器给出的长度并不一定正好是1米，由于刻线工艺和测量方法等方面的原因，在复现量值时总难免有一定误差，这个误差不小于0.1微米，也就是说，相对误差可达110e(-7)。时间长了，很难保证米原器本身不会发生变化，再加上米原器随时都有被破坏的危险。所以，随着科学与技术的发展，人们越来越希望把长度的基准建立在更科学、更方便和更可靠的基础上，而不是以某一个实物的尺寸为基准。光谱学的研究表明，可见光的波长是一些很精确又很稳定的长度，有可能当作长度的基准。19世纪末，在实验中找到了自然镉(Cd)的红色谱线，具有非常好的清晰度和复现性，在15摄氏度的干燥空气中，其波长等于 y=6438.469610e(-10)米。 1927年国际协议，决定用这条谱线作为光谱学的长度标准，并确定1米155316.13yCd,人们第一次找到了可用来定义米的非实物标准。 科学家继续研究，后来又发现氪( 86 Kr)的橙色谱线比镉红线还要优越。1960年，在第十一届国际计量大会上，决定用氪(86Kr)橙线代替镉红线，并决定把米的定义改为： “米的长度等于相当于氪(86Kr)原子的2P10到5d5能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。” 这个基准的精确度相当高，相对误差不超过410e(-9)，相当于在1千米长度测量中不差4毫米。 但是原子光谱的波长太短，又难免受电流、温度等因素的影响，复现的精确度仍受限制。60年代以后，由于激光的出现，人们又找到了一种更为优越的光源，用激光代替氪谱线，可以使长度测量得更为准确。只要确定某一时间间隔，就可从光速与这一时间间隔的乘积定义长度的单位。80年代，用激光测真空中的光速c，得c299792458米秒。 1983年10月第十七届国际计量大会通过了米的新定义：“米是光在真空中1299792458秒的时间间隔内所经路程的长度”。 新的米定义有重大科学意义。从此光速c成了一个精确数值。把长度单位统一到时间上，就可以利用高度精确的时间计量，大大提高长度计量的精确度。 质量单位 古代质量单位和长度单位的情况相似，也有多种多样的形式。例如：在波斯用卡拉萨(Karasha)作质量的单位，约合0.834千克，埃及用格德特(gedet)，约合9.33克。 我国秦代度量衡制度中规定：1石4钧，1钧30斤，1斤16两。与现代国际单位制比较，1斤约合0256千克。 英制中以磅(pound)，盎司(ounce)，打兰(dram)，格令(grain)作单位：1磅16盎司265打兰7000格令 不列颠帝国曾用纯铂制成磅原器，它是高约1.35英寸，直径1.15英寸的纯铂圆柱体。 最初的千克质量单位是由18世纪末法国采用的长度单位米推导出来的。1立方分米纯水在最大密度(温度约为4摄氏度)时的质量，就定为1千克。 1799年法国在制作铂质米原器的同时，也制成了铂质千克基准，保存在巴黎档案局里。 后来发现这个基准并不准确地等于1立方分米最大密度纯水的质量，而是等于1000028立方分米。于是在1875年米制公约会议之后，也用含铂90%、铱10%的合金制成千克原器，一共做了三个，经与巴黎档案局保存的铂质千克原器比对，选定其中之一作为国际千克原器。这个国际千克原器被国际计量局的专家们非常仔细地保存在特殊的地点，用三层玻璃罩好，最外一层玻璃罩里抽成半真空，以防空气和杂质进入。随后又复制了四十个铂铱合金圆柱体，经过与国际千克原器比对后，分发给各会员国作为国家基准。跟米原器一样，千克原器也要进行周期性的检定，以确保质量基准的稳定可靠。 时间单位 在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象为最明显，也最有规律，所以很自然地时间的量度以地球自转的周期作为基准，这就是所谓的太阳日。1秒186400平太阳日。但是由于地球自转并不均匀也不稳定，1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒定义为在1900年地球绕太阳沿轨道运动一周所需时间的131556925.9747。这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。 然而根据这个定义很难对秒本身进行直接比较。正好在这期间，时间和频率的测量技术有了很大发展， 967年第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：“秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。” 温标 现在通用的国际单位制中温度以开尔文(K)表示，这个温度单位也是基本单位。严格说来，温度单位的选择实际上是一个温标问题。热学发展史中出现过华氏温标、列式温标、兰氏温标、摄氏温标、气体温标和热力学温标等。热力学温标是1848年开尔文首先提出的，由热力学温标定义的热力学温度具有最严格的科学意义。其余几种都属于经验温标，其共同特点是人为选择某一特定的温度计和若干温度固定点来定义温标，因此缺乏客观标准。这些经验温标已成为历史，但跟现代的温标仍有一些渊源关系。 华氏温标是德国人华伦海特(D.G.Fahrenheit)大约在1710年提出的，规定水的冰点为32度，水的沸点为212度。华氏温度至今还在英、美等国民间流行。 列氏温标由列奥缪尔(R.A.F.Reaumur)于1730年提出，规定水的冰点为零度，水的沸点为80度。列氏温标在德国曾一度流行。 兰氏温标由英国人兰金(Rankine)提出，其定义为 tRtF459.67 实际上兰氏温度是以绝对零度为计算起点的华氏温度，以R表示之。现在科技界已很少采用。 摄氏温标是瑞典天文学家摄尔萨斯(A.Celsius)在1742年提出的。他原来的方案是以水的沸点为零度，水的冰点为100度。次年法国人克里斯丁(Christian)把两个标度倒过来，就成了现在通用的标度。 以气体温度计标定温度所构成的气体温标最接近热力学温标。由于气体温度计的复现性较差，国际间又协议定出国际实用温标，以统一国际间的温度量值，国际实用温标几经变革， 为此定出的温度尽可能接近热力学温度。 早在1887年，国际计量委员会就曾决定采用定容氢气体温度计作为国际实用温标的基础。 1927年第七届国际计量大会决议采用铂电阻温度计等作为温标的内插仪器，并规定在氧的凝固点(-182.97摄氏度)到金凝固点(1063摄氏度)之间确定一系列可重复的温度或固定点。 1948年第十一届国际计量大会对国际实用温标作了若干重要修订。例如，以金融点代替金凝固点；以普朗克黑体辐射定律代替维恩定律；引用更精确的常数值；计算公式更为精确；光测高温计的测量限值扩大等等。 1960年又增加了一条重要修订，即把水的三相点作为唯一的定义点，规定其绝对温度值为273.16(精确)，以代替原来水冰点温度为0.00摄氏度(精确)之规定。而水的冰点根据实测，应为273.15000.0001K。采用水的三相点作为唯一的定义点是温度计量的一大进步，因为这可以避免世界各地因冰点变动而出现温度计量的差异。 1968年对国际实用温标又作了一次修订，代号为IPTS-68。其特点是采用了有关热力学的最新成就，使国际实用温标更接近热力学温标。这一次还规定以符号K表示绝对温度，取消原来的符号(K)，并规定摄氏温度与热力学温标的绝对温度单位精确相等，摄氏温度t绝对温度T273.15(精确)。 1975年和1976年分别对IPTS-68作了修订和补充，把温度范围的下限由13.8K扩大到0.5K。 但还是出现不足之处，主要是在实验中不断发现IPTS-68在某些温区与国际单位制定义的热力学温度偏差甚大。 1988年国际度量衡委员会推荐，第十八届国际计量大会及第77届国际计量委员会作出决议，从1990年1月1日起开始在全世界范围内采用重新修订的国际温标，这一次取名为1990年国际温标，代号为ITS-90，取消了“实用”二字，因为随着科学技术水平的提高，这一温标已经相当接近于热力学温标。和IPTS-68相比较，100摄氏度时偏低0.026摄氏度，即标准状态下水的沸点已不再是100摄氏度，而是99.974摄氏度。 显然，ITS-90的实施会给精密温度计量带来好处，是科学技术发展的又一标志。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，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“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，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、戟锋刃尖利，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，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。每当雷雨时节，云层与金殿之间存在巨大电势差，通过脊饰放电产生电弧，电弧使空气急剧膨胀，电弧变形如硕大火球。其时雷声惊天动地，闪电激绕如金蛇狂舞，硕大火球在金殿顶部激跃翻滚，蔚为壮观。雷雨过后，金殿经过水与火的洗炼，变得更为金光灿灿。如此巧妙的避雷措施，令人叹为观止。 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，共舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格，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。”其实，只因漆器、刀室是绝缘体，宝刀、银扣是导体，才有这一现象发生。 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“虎魄不取腐芥”。腐芥因含水分，已成为导体，所以不被带电琥珀吸引。琥珀价格昂贵，常有人鱼目混珠。南朝陶弘景则知道“惟以手心摩热拾芥为真”，以此作为识别真假琥珀的标准。南北朝时的雷敩在炮炙论中有“琥珀如血色，以布拭热，吸得芥子者真也”。他一改别人以手摩擦为用布摩擦，静电吸引力大大增加。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。中国古代对磁的认识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”。东汉高诱在吕氏春秋注中谈到：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。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。 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，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。晋书马隆传的故事可供参考：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（“夹道累磁石，贼负铁镗，行不得前，隆卒悉被犀甲，无所溜碍”）。 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（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：“若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方向出指南车或指南鱼，以辨所向鱼法，用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也”。需要特别指出的是，这里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。还应注意到，“钤鱼首出火”时“没尾数分”，鱼呈倾斜状，此举使鱼体更接近地磁场方向，磁化效果会更好。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，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（y）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。 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。我国研究人员在历代古籍中业已发现，自公元前2000年到公元1751年，有关极光记载达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。根据我国研究人员搜集与整理，自前165年1643年（明崇祯十六年）史书中观测黑子记录为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贵、翔实可靠的资料。 遗憾的是，关于磁的认识尽管极为丰富，而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。中国古代对力学的研究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，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，现存版本中如裘氏、筐氏、雕氏等篇内容已散佚。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，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”），检验木料强度的经验方法如“置而摇之，以视其蜎（yun，蠕动程度），“横两墙间，以视其桡之均”，“横而摇之，以视其劲”），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”是世界上已知最早的常平支架，祖冲之（429500年）的水磨等等。 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。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故事，在陈寿著三国志卷二十及江表传中均有记载。 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。其次是运动的相对性概念，晋天文学家束皙（261303年）说过：“乘船以涉水，水去而船不徙矣”（隋书天文志）；晋葛洪（283363年），号抱朴子，在其著作抱朴子内篇塞难中说：“游云西行，而谓月之东驰。”晋书卷十一天文志更将这一相对运动的思想用于解释天体运行：“天旁转如推磨而左行，日月右行，随天左转，故日月实东行，而天牵之以西没。譬之蚁行磨石之上，磨左旋而蚁右去，磨疾而蚁迟，故不得不随磨以左回焉。”有极大价值的是至少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