中國古代趣味物理實驗十摘

1、1中國古代趣味物理實驗十摘中國古代趣味物理實驗十摘粟新華唐玉喜（邵陽學院湖南邵陽422000）摘要該文從中國若干典籍中采擷了十個趣味性較濃的物理實驗這些實驗構思奇特，設計巧妙，且大多可用于課堂演示對了解中國古代物理實驗發(fā)展的歷程具有一定參考價值關鍵詞關鍵詞古代，物理，趣味實驗中圖分類號中圖分類號：o4文獻標識碼文獻標識碼：ETenitemsofinterestingPhysicsExperimentinancientChinaSUXin

2、huaTANGYuxi（ShaoyangCollegeShaoyangHunan422000）Abstract:Abstract:InthispapertenitemsofphysicsExperimentareedfromancientReferencesinChinaTheseexperimentsweredesignedverywellcouldstillbeusedfdemonstrationinclassnowThemater

3、ialinthispaperwillbeHelpfultoinvestigatethehistyofPhysicsexperimentinchinaKeyKeywds:wds:ancientphysicsinterestingexperiment1壺竅壺竅瀉水瀉水谷應泰在《明史記事本末》中介紹了徐有貞1453年受命往山東張秋治水之前所做的一個實驗：“初，有貞方鳩功，有言沮者，上使中使問之有貞示以二壺，一壺之竅一，一壺之竅五，注水二壺，五

4、竅先涸中使還報上，上惟有貞之所為”[1]這個實驗是在主張對黃河決口進行筑堤堵塞還是疏決開支河的矛盾沖突下進行的，徐有貞主張分河疏流認為這樣易于排水但遭到部分人的阻攔于是，徐有貞當著欽差大臣的面演示了壺竅瀉水實驗，用事實說明分河疏流的正確性，這一主張得到了皇上的支持實驗是這樣進行的：取兩個形狀一樣、容積相等的水壺，在一個壺中開一個大孔，在另一個壺中開五個小孔，五個小孔開孔總面積等于大孔開孔面積，將兩壺灌滿水后同時讓水從壺中開孔處流出實驗結

5、果是：開有五個小孔的那壺水先流完這個實驗的趣味性在于：人們通常認為只要兩壺開孔面積相等其流量必然一致但事實并非如此因在兩壺橫截面積、起始時水的深度和開孔面積相等的情況下，壺中水流盡的時間決定于孔的水流量系數若兩壺開孔形狀相同、孔緣銳利程度和水溫一致，則水流量系數決定于流速系數在一定范圍內，流速系數是隨水的深度減小和孔徑減少而增大的，這就是五竅之壺中的水先涸的原因有關壺竅瀉水的記載，還可在《明經世文編》、《物理小識》、《明通鑒》中見到，只

6、是在實驗起因、壺的開孔數目、竅口截面大小是否確定等敘述上稍有差異，但實驗結果完全相同這個實驗也是迄今為止所發(fā)現的世上同類流體力學實驗中最早的一個２結環(huán)飛木結環(huán)飛木《抱樸子》載：“用棗心木為飛車，以牛革結環(huán)劍以引其機，……交罡而乘之，上升四十里……”［２］飛車，即“竹蜻蜓”，它是一種飛行玩器這種玩器通常用竹片或木片作飛翼，飛翼下安一轉柄（環(huán)劍），轉柄套入用竹筒做成的手柄中在手柄一側開孔，將繩索穿過小孔后纏繞在轉柄上，繩的一端露在手柄外，用

7、力抽出繩索，翼片即向空中飛去飛車的飛行原理是：拉動繩索，轉柄飛速轉動，并帶著飛翼作圓周運動由于飛翼做成螺旋槳狀，3等按《淵鑒類函》載：“周廟欹器東漢猶存，至漢之末不復存，形制遂絕”［７］后來，杜預、祖沖之，李臬、曹丕等又重造欹器，其應用也越來越廣因為這種研究物體重心位置變化的實驗，對提高物體穩(wěn)度的研究很有科學價值現在我們使用的翻籠車，就是一種重心位置可以人為變動的裝置其實，古代陀螺，酒胡子（即不倒翁）也是類似研究重心位置的器具欹器這一古

8、老器具，若將其懸掛在支架上搬上講臺，就象古人在宴席上進行演示的那樣，那么這一器具就會再現光彩6律管考聲律管考聲《歲華紀麗》云：“節(jié)移陰管自符河內之灰，春動陽鐘又應金門之竹.”[7]說的是截金門山之竹為管，采河內蘆葦桿中薄膜燃燒成灰，將灰放入新制律管中，然后吹響標準的黃鐘律管，以此檢定新管是否符合國家標準.新管一端開口，一端密封，當標準的黃鐘律管被吹響后，聲波從新管開口端進入管內，從密封端反射回來，這樣，入射波與反射波疊加形成駐波.新管密

9、封處為駐波波節(jié)，若新管長度正確，開口處即為波腹，這時管內空氣振動最強烈，管內輕灰被振成小堆一小堆的，同時會使人聽到從管口傳來的共鳴聲.若新管不符合國家標準，該管則無法共鳴，管內輕灰保持原狀.這個有趣的聲學實驗，其成果在中國古代廣泛應用于度量衡的檢定，對制造和調整各種樂器也有十分重要作用.據《后漢書》載，這種實驗通常在緹室進行：“候氣之法，為室三重，戶閉，涂釁必周，密布緹縵.中以木為案，每律各一，內庳外高，從其方位，加律其上，以葭莩灰抑其

10、內端，案歷而候之，氣至者灰動.”[8]“葭莩”是蘆葦桿里的薄膜，用它燒成的灰很輕，當竹管振動時，灰容易發(fā)生位移.“緹縵”是沒有花紋的絲織品，將它密布室內，目的在于防止室外聲音和空氣流動對實驗的干擾.《后漢書》中記載的緹室，也是我國最早的聲學實驗室，距今至少有1700多年了.現物理教學中，聲音在空氣中的傳播速度是一重要常數，測定這一常數的實驗有共鳴管法.該裝置就是從律管考聲實驗裝置演變過來的.同樣，演示音叉的共振，是在頻率相同的兩音叉下各

11、裝一共鳴箱，使它們相隔一定距離，敲擊其中一音叉，另一音又發(fā)生振動，同時聽到從共鳴箱發(fā)出的聲音.這個實驗也是從律管考聲實驗中演變過來的，其中還融入了“紙人共振”的實驗方法.７拳上倒碗拳上倒碗唐段成式說，在他還未虧齒時就聽人說過，有人能以籌碗中綠豆擊蠅，十不失一，并且“又能拳上倒碗，走十間地不落”［9］“拳上倒碗，走十間地不落”，這是一個驚險而有趣的實驗：將碗懸掛在拳頭下面，人握拳行走，即使走很遠距離，碗也不會掉落上述實驗在民間廣為流傳，街

12、頭、酒宴中常常有人演示有人以“拳”為“掌”名“手掌吸碗”或“掌下懸碗”掌下怎能懸碗呢？原來，將碗置于掌上時，另一只手用力將碗底在掌上擠壓，使掌上肌肉盡量填滿碗底把碗與掌倒過來后，碗在重力作用下要向地面運動，這樣在碗與掌接觸部分的中間就形成真空而產生負壓，若碗與掌接觸部分不漏氣，碗就會懸在掌下而不掉落８水中水中“浮”錢明方以智在《物理小識?卷一》中指出：“置錢于碗，遠立者視之不見注水溢碗，錢浮水面矣”這是一個演示光的折射現象的實驗：將硬幣