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中国古代十例趣味物理实验句容市郭庄中学 王进摘要：从中国若干典籍中采撷了10个趣味性较浓的物理实验。这些实验构思奇特，设计巧妙，且大多可用于课堂演示。对了解中国古代物理实验发展的历程具有一定参考价值。 1 壶窍泻水谷应泰在明史记事本末中介绍了徐有贞1453年受命往山东张秋治水之前所做的一个实验：“初，有贞方鸠功，有言沮者，上使中使问之。有贞示以二壶，一壶之窍一，一壶之窍五，注水二壶，五窍先涸。中使还报上，上惟有贞之所为。”这个实验是在主张对黄河决口进行筑堤堵塞还是疏决开支河的矛盾冲突下进行的，徐有贞主张分河疏流，认为这样易于排水，但遭到部分人的阻拦。于是，徐有贞当着钦差大臣的面演示了壶窍泻水实验，用事实说明分河疏流的正确性，这一主张得到了皇上的支持。实验是这样进行的：取两个形状一样、容积相等的水壶，在1个壶中开1个大孔，在另1个壶中开5个小孔，5个小孔开孔总面积等于大孔开孔面积，将两壶灌满水后，同时让水从壶中开孔处流出。实验结果是：开有5个小孔的那壶水先流完。这个实验的趣味性在于：人们通常认为只要两壶开孔面积相等，其流量必然一致，但事实并非如此。因在两壶横截面积、起始时水的深度和开孔面积相等的情况下，壶中水流尽的时间决定于孔的水流量系数。若两壶开孔形状相同、孔缘锐利程度和水温一致，则水流量系数决定于流速系数。在一定范围内，流速系数是随水的深度减小和孔径减少而增大的，这就是5窍之壶中的水先涸的原因。有关壶窍泻水的记载，还可在明经世文编物理小识明通鉴中见到，只是在实验起因、壶的开孔数目、窍口截面大小是否确定等叙述上稍有差异，但实验结果完全相同。这个实验也是迄今为止所发现的世界上同类流体力学实验中最早的一个。2 结环飞木抱朴子载：“用枣心木为飞车，以牛革结环剑以引其机，.交罡而乘之，上升四十里.。飞车，即“竹蜻蜓”，它是一种飞行玩器。这种玩器通常用竹片或木片作飞翼，飞翼下安一转柄（环剑），转柄套人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绕在转柄上，绳的一端露在手柄外，用力抽出绳索，翼片即向空中飞去。飞车的飞行原理是：拉动绳索，转柄飞速转动，并带着飞翼作圆周运动。由于飞翼做成螺旋桨状，它对空气产生向下的作用力。把绳索从竹简中全部抽出后，飞翼在空气的反作用力的推动下飞向空中。“竹蜻蜓”千百年来一直为人们所喜爱，它与风车一样，至今仍在民间流传。值得注意的是，古代也有人称风筝为飞车。 张华在博物志中就曾提到：“奇肱国，其民善为机巧，杀百禽，能为飞车，从风远行。”此处所指飞车，当为风筝，其飞行原理与“竹蜻蜓”不同。3 魔杯吐酒南京博物院、四川大学博物馆有一种清代制做的“魔杯”：当你向杯中注酒时，只要不太满，酒一滴也不会流出来，但如果装酒超过其限度，哪怕多一点点，酒就会从杯中流出，直至流完为止。这种器具常用来告诫人们不要贪酒好杯，并蕴含“盛而衰，乐极而悲”的人生哲理。上述魔杯，也有人称它为“酒龙杯”、“劝世杯”或“公道杯”。杯中有一站立状小瓷人与杯底沾连，瓷人中隐一渴乌（虹吸管），渴乌一端隐于杯底与杯中液体连通，另一端则穿过杯底与杯外空气连通。使用时，向杯中注酒，使杯内液面略低于虹吸管顶部，此时，虹吸管管内液面与杯中液面处在同一高度，其压强均为一个大气压酒不会从虹吸管流出；当杯内液面高于虹吸管的顶部时，虹吸管管中液面低于杯内液面，虹吸管通向杯内的一端压强增大，酒通过虹吸管流向杯外，直至酒液流完为止。魔杯在清代后已经失传，解放后，景德镇研制瓷器的科技人员根据宋代古籍重新研制出这种酒杯，并在国外展销会上引起轰动。4 挥箸击瓯 张英、王士祯在渊鉴类函中指出：“唐大中初，郭道原善击瓯，用越瓯、邢瓯二十，旋加减水，以箸击之，其音妙于方响。”意思是：唐大中初年（公元859年），有一个名叫郭道原的人善于用瓯子奏乐，他用越瓯、邢瓯共12个，根据乐音需要临时在瓯中倒人适量的水，以筷子轻击瓯沿，声音悦耳动听，效果比方响还好。这是一个振动发声的有趣实验。实验时改变瓯中水位的高低，当敲击瓯子时，瓯体的声音会产生变化。演示前仔细调好各瓯中的水位，将瓯按音调高低有序排列，然后用筷子依乐谱轻击相应的瓯子，就能奏出动人的乐曲。击瓯乃击缶遗事，吕氏春秋史记就记载过击缶为乐的事情，庄子淮南子等书则有扣盆而歌的例子，只不过那是应拍而已。5 欹器盛水孔子家语载：“孔子观于鲁桓公庙，有欹器焉。夫子问于守庙者日：此谓何器?对日：此盖为宥坐之器。虚则欹，中则正，满则覆。明君以为至诚，故常置于座侧。顾谓弟子日：试注水焉。乃注之水，中则正，满则覆。上述欹器，很象仰韶人使用过的尖底提水陶瓶。这种陶瓶是一种取水器具，陶腰有双耳，可穿绳索。空瓶重心在双耳之上，将它缒到河里，能自动倾倒让水人瓶，灌到六七成，瓶的重心降到双耳以下，瓶在水中自动扶正，这样提水时水不会洒出。如果将瓶强行按入水中，水满后瓶的重心就会升到比空瓶重心更高的位置，提瓶出水，由于倾斜，水将被倒出一部分。关于欹器盛水，古籍中有不少记载，如三国典略朝野佥载玉壶清话太平广记等。按渊鉴类函载：“周庙欹器东汉犹存，至汉之末不复存，形制遂绝。后来，杜预、祖冲之、李臬、曹丕等又重造欹器，其应用也越来越广。因为这种研究物体重心位置变化的实验，对提高物体稳度的研究很有科学价值。现在我们使用的翻笼车，就是一种重心位置可以人为变动的装置。其实，古代陀螺，酒胡子（即不倒翁）也是类似研究重心位置的器具。6 律管考声岁华纪丽云：“节移阴管自符河内之灰，春动阳钟又应金门之竹。”说的是截金门山之竹为管，采河内芦苇杆中薄膜燃烧成灰，将灰放入新制律管中，然后吹响标准的黄钟律管，以此检定新管是否符合标准。新管一端开口，一端密封，当标准的黄钟律管被吹响后，声波从新管开口端进入管内，从密封端反射回来，这样，入射波与反射波叠加形成驻波。新管密封处为驻波波节，若新管长度正确，开口处即为波腹，这时管内空气振动最强烈，管内轻灰被振成一小堆一小堆的，同时听到从管口传来的共鸣声。若新管不符合标准，该管则无法共鸣，管内轻灰保持原状。这个有趣的声学实验，其成果在中国古代广泛应用于度量衡的检定，对制造和调整各种乐器也有十分重要的作用。据后汉书载，这种实验通常在缇室进行：“候气之法，为室三重，户闭，涂衅必周，密布缇缦。中以木为案，每律各一， 内庳外高，从其方位，加律其上，以葭莩灰抑其内端，案历而候之，气至者灰动。”。“ 葭莩”是芦苇杆里的薄膜，用它烧成的灰很轻，当竹管振动时，灰容易发生位移。“缇缦”是没有花纹的丝织品，将它密布室内，目的在于防止室外声音和空气流动对实验的干扰。后汉书中记载的缇室，也是我国最早的声学实验室，距今至少有1700多年了。现在物理教学中，声音在空气中的传播速度是一重要常量，测定这一常量的实验有共鸣管法。 该装置就是从律管考声实验装置演变过来的。同样，演示音叉的共振，是在频率相同的两音叉下各装一共鸣箱，使它们相隔一定距离，敲击其中一音叉，另一音又发生振动，同时听到从共鸣箱发出的声音。这个实验也是从律管考声实验中演变过来的，其中还融入了“纸人共振”的实验方法。7 拳上倒碗唐段成式说，在他还未亏齿时就听人说过，有人能以筹碗中绿豆击蝇，十不失一，并且“又能拳上倒碗，走十间地不落。”“拳上倒碗，走十间地不落”，这是一个惊险而有趣的实验：将碗悬挂在拳头下面，人握拳行走，即使走很远距离，碗也不会掉落。上述实验在民间广为流传，街头、酒宴中常常有人演示。有人以“拳”为“掌”。名“手掌吸碗”或“掌下悬碗”。掌下怎能悬碗呢?原来，将碗置于掌上时，另一只手用力将碗底在掌上挤压，使掌上肌肉尽量填满碗底。把碗与掌倒过来后，碗在重力作用下要向地面运动，这样在碗与掌接触部分的中间就形成真空而产生负压，若碗与掌接触部分不漏气，碗就会悬在掌下而不掉落。8 水中“浮”钱明方以智在物理小识卷一中指出：“置钱于碗，远立者视之不见。注水溢碗，钱浮水面矣。”这是一个演示光的折射现象的实验：将硬币投入空碗中，人远立碗的一侧，逆着光线看去，硬币反射到人眼的光线已被不透明的碗壁所遮挡。我们无法看到硬币。注水于碗，光从空气进入水中，因水与空气密度不同，射向硬币的光线在水面处会发生弯曲，这种现象叫光的折射。由于光的折射现象的发生，此时我们逆着折射光线看去，硬币便“浮”了上来，池水似乎变浅了，因为我们看到了硬币的虚像。墨经中有这样的描述：经下，“荆之大，其沈浅也。说在具。”经下说，“荆：沈，荆之贝也，则沈浅非，荆浅也。若易五之一。”李志超认为，经下中“大”字疑为“具”的坏字，上半的“目”坏失了。此外，若解“具”为“见”或“视”，则原文意思是“经：目视水下物体，沉人深度变浅了。要在视线上说明。说：沉于水的物体，被看见的只是形象，不是沉人深度变浅，只是形象变浅了。大约变化量为五分之一。”9 掬草飞蛾太平广记引逸史说，王潜子弟求百胜张七政以戏术。“张取马草一掬，再三揉之，悉成灯蛾飞去。 ”段成式在酉阳杂俎中也有这一记载。意思是：张七政随即手捧一捧马草，反复搓揉，不一会，马草象灯蛾一样飞去。从史料上看，张七政具有丰富的自然科学知识，他精通医理、化学，其“方术”均有科学道理。因此，“掬草飞蛾”应不是江湖骗术。“取马草一掬，再三揉之，悉成灯蛾飞”，这一记载太简单了，以致我们无法去重复原有的实验过程。但我们清楚，某些干燥的绝缘体与其他干燥物相互摩擦后会显示电的性质，而且，用同种材料和方法经摩擦后得到的两个带电体，把它们放在一起时会相互排斥。关于摩擦带电现象，公元前1600年希腊哲学家兼数学家泰利斯就发现了。我国公元前也有记载，春秋纬考异邮就说：“慈石取铁，代瑁吸喏。”但经过摩擦的2个带电体相互排斥的现象，直到1733年才由法国人德雨费发现。10器中喷泉清稗类钞载：“黄履庄少聪颖，尤喜出新意，作诸技巧。.作水器，以水置器中，水从下上射如线，高五六尺，移时不断。”黄履庄七八岁就能锥凿木人在桌上自动行走，作木狗触机则吠，作画眉跳舞飞鸣，凄越可听。可惜这些制作没有详细记录，使人很难猜透其中奥秘。关于器中喷泉，戴榕在黄履庄小传中写到：“一线泉，制法不等；柳枝泉，水上射复下，如柳枝然。” 可见制作喷泉有多种方法可以实现，最常见的是水压法和气压法。水压法是将水器与水源（水箱或水池）接一连通管，连通管接水器的一端竖直向上，当水源位置