資源簡(jiǎn)介

課題 探索物理 科學(xué)之旅
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1 ． 了解物理研究的內(nèi)容； 2 ． 通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)物理是有趣的、有用的； 3 ． 了解學(xué)好物理應(yīng)該注意的問(wèn)題； 4 ． 初步了解科學(xué)探究的方法。
課前學(xué)習(xí)任務(wù)
預(yù)習(xí)： 初步閱讀教材， 了解本學(xué)科要研究的內(nèi)容。
課上學(xué)習(xí)任務(wù)
【學(xué)習(xí)任務(wù)一】了解物理研究的內(nèi)容，知道什么是物理？ 1. 物理是研究關(guān)于 等現(xiàn)象的自然科學(xué)。 2. “格物致理” ，格物： ， 致理： 。 【學(xué)習(xí)任務(wù)二】認(rèn)識(shí)物理是有趣的、有用的 物理學(xué)是研究 及其 ，以及 、 和它 們 規(guī)律的科學(xué)。它曾為人類文明做出過(guò)巨大的貢獻(xiàn)， 對(duì)當(dāng)代生活產(chǎn)生 了不可估量的影響，對(duì)人類未來(lái)的進(jìn)步必將起關(guān)鍵作用。
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【學(xué)習(xí)任務(wù)三】了解學(xué)好物理應(yīng)該注意的問(wèn)題 怎樣學(xué)習(xí)物理？ 1. 善于觀察 樂(lè)于動(dòng)手 2. 勤于思考 重在理解 3. 聯(lián)系實(shí)際 聯(lián)系社會(huì) 4. 善于科學(xué)探究 科學(xué)探究的方法
推薦的學(xué)習(xí)資源
萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn) 萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)是近代經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。科學(xué)史上普遍認(rèn) 為，這一成果應(yīng)該歸功于偉大的牛頓。但是，其他杰出的科學(xué)家如胡克、哈雷 等在這一方面也做出了非常重要的貢獻(xiàn)。但與牛頓相比，他們的觀點(diǎn)和研究方 法總是存在著這樣或那樣的缺陷，最終與跨時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)矢之交臂。 早在 1661 年，羅伯特．胡克就已覺(jué)察到引力和地球上物體的重力有同樣的 本質(zhì)。 1662 年和 1666 年，他曾在山頂上和礦井下用測(cè)定擺的周期的方法做實(shí) 驗(yàn)，企圖找出物體的重量隨離地心距離而變化的關(guān)系，但沒(méi)有得出結(jié)果，在 1674 年的一次演講“證明地球周年運(yùn)動(dòng)的嘗試 ”中，他提出要在一致的力學(xué)原則的 基礎(chǔ)上建立一個(gè)宇宙學(xué)說(shuō)，為此提出了以下三個(gè)假設(shè)： “第一，據(jù)我們?cè)诘厍?上的觀察可知， 一切天體都具有傾向其中心的吸引力，它不僅吸引其本身各部 分，并且還吸引其作用范圍內(nèi)的其他天體。因此，不僅太陽(yáng)和月亮對(duì)地球的形 狀和運(yùn)動(dòng)發(fā)生影響，而且地球?qū)μ?yáng)和月亮同樣也有影響，連水星、金星、火 星和木星對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)都有影響。第二， 凡是正在作簡(jiǎn)單直線運(yùn)動(dòng)的任何天體， 在沒(méi)有受到其他作用力使其沿著橢圓軌道、圓周或復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)之前，它將 繼續(xù)保持直線運(yùn)動(dòng)不變。第三，受到吸引力作用的物體，越靠近吸引中心， 其 吸引力也越大。至于此力在什么程度上依賴于距離的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中我還未解 決。 一旦知道了這一關(guān)系，天文學(xué)家就很容易解決天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律了。 ” 胡克首先使用了“萬(wàn)有引力 ”這個(gè)詞。他在這里提出的這三條假設(shè)， 實(shí)際
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上已包含了有關(guān)萬(wàn)有引力的一切問(wèn)題， 所缺乏的只是定量的表述和論證。但是， 胡克缺乏深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和敏捷的邏輯思維能力。他錯(cuò)誤的認(rèn)為，目前需要的 是更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而沒(méi)有想到精確的測(cè)量結(jié)果已經(jīng)包含在了開(kāi)普勒的實(shí) 驗(yàn)記錄中。 1680 年 1 月 6 日， 胡克在給牛頓的一封信中， 提出了引力反比于距離的平 方的猜測(cè)，并問(wèn)道，如果是這樣， 行星的軌道將是什么形狀。 1684 年， 在胡克 和愛(ài)德蒙．哈雷、克里斯多夫．倫恩等人的一次聚會(huì)中，又提出了推動(dòng)這一研 究的問(wèn)題。倫恩提出了一筆獎(jiǎng)金，條件是要在兩個(gè)月內(nèi)完成這樣的證明：從平 方反比關(guān)系得到橢圓軌道的結(jié)果。胡克聲言他已完成了這一證明，但他要等待 別人的努力都失敗后才肯把自己的證明公布出來(lái)。哈雷經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，最后于 1684 年 8 月專程到劍橋大學(xué)向當(dāng)時(shí)已有些名望的牛頓求教。牛頓說(shuō)他早已完成 了這一證明， 但當(dāng)時(shí)沒(méi)有找到這份手稿； 在 1684 年底牛頓將重新作出的證明寄 給了哈雷。在哈雷的熱情勸告和資助下， 1687 年，牛頓出版了他的名著《自然 哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，公布了他的研究成果。 從《原理》中可以看出，牛頓首先是從猜測(cè)和直覺(jué)開(kāi)始他關(guān)于引力的思考 的。他看到，在地面上很高的地方，重力并沒(méi)有明顯的減弱，那么它是否也可 以到達(dá)月球呢？如果月球也受到重力的作用，就可能是這個(gè)原因使它保持著球 繞地球的軌道運(yùn)動(dòng)。 牛頓指出，月球可以由于重力或者其他力的作用，使它偏離直線運(yùn)動(dòng)而偏 向地球，形成繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， “如果沒(méi)有這樣一種力的作用， 月球就不能保持在它 的軌道上運(yùn)行。 ”但是，迫使月球作軌道運(yùn)動(dòng)的向心力與地面上物體所受的重 力到底是否有同一本質(zhì)呢？在《原理》中， 牛頓提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)， 設(shè)想有 一個(gè)小月球很靠近地球，以至幾乎觸及到地球上最高的山頂那么使它保持軌道 運(yùn)動(dòng)的向心力當(dāng)然就等于它在山處所受的重力。這時(shí)如果小月球突然失去了運(yùn) 動(dòng)，它就如同山處的物體一樣以相同的速度下落。如果它所受的向心力并不是 重力，那么它就將在這兩種力的作用下以更大的速度下落，這是于我們的經(jīng)驗(yàn) 不符合的。可見(jiàn)重物的重力和月球的向心力，必然是出于同一個(gè)原因。因此使 月球保持在它軌道的力就是我們通常為重力的那個(gè)力。 進(jìn)一步深入，牛頓根據(jù)惠更斯的向心力公式和開(kāi)普勒的三個(gè)定律推導(dǎo)了平
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方反比關(guān)系。牛頓還反過(guò)來(lái)證明了， 如果物體所受的力指向一點(diǎn)而且遵從平方 反比關(guān)系，則物體的軌道是圓錐曲線——橢圓，拋物線或雙曲線，這就推廣了 開(kāi)普勒的結(jié)論。在原理中牛頓同磁力作用相類比，得出這些指向物體的力應(yīng)與 這些物體的性質(zhì)和量有關(guān)， 從而把質(zhì)量引進(jìn)了萬(wàn)有引力定律。 牛頓把他在月球 方面得到的結(jié)果推廣到行星的運(yùn)動(dòng)上去，并進(jìn)一步得出所有物體之間萬(wàn)有引力 都在起作用的結(jié)論。這個(gè)引力同相互吸引的物體質(zhì)量成正比，同它們之間的距 離的平方成正比。牛頓根據(jù)這個(gè)定律建立了天體力學(xué)的嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論，從而 把天體的運(yùn)動(dòng)納入到根據(jù)地面上的實(shí)驗(yàn)得出的力學(xué)原理之中， 這是人類認(rèn)識(shí)史 上的一個(gè)重大的飛躍。 中國(guó)古代物理知識(shí)的代表作 在中國(guó)古代，物理學(xué)雖一直沒(méi)有從哲學(xué)和自然科學(xué)中分化出來(lái)成為一門(mén)獨(dú) 立的科學(xué)，然而通過(guò)含有物理知識(shí)的哲學(xué)、自然科學(xué)和科技知識(shí)等著作的流傳 和有關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，物理知識(shí)還是不斷地在社會(huì)上傳播，仍然得到了一定的發(fā) 展，并在其運(yùn)用中還有許多舉世聞名的發(fā)明創(chuàng)造，以致今天人們?cè)谧穼の锢斫?學(xué)的歷史淵源時(shí)，不能不看到它們?cè)谥袊?guó)的黃土地上已有最早萌發(fā)的綠芽。這 里，我們僅對(duì)古代在傳授物理知識(shí)方面比較突出的著作中的主要物理內(nèi)容及其 運(yùn)用物理知識(shí)的典型事例，作一扼要的介紹。 一、《墨經(jīng)》 《墨經(jīng)》是墨家學(xué)派的著作，也是他們進(jìn)行私學(xué)教育的教材。《墨經(jīng)》中有 關(guān)物理知識(shí)的內(nèi)容，主要是在力學(xué)和光學(xué)方面。 1.力學(xué)方面 《墨經(jīng)》中對(duì)時(shí)間和空間概念分別作了正確的定義。如“久， 彌異時(shí)也 ”。 “宇，彌異所也 ”。就是說(shuō)，時(shí)間是不同時(shí)候的通稱。空間是包括各個(gè)方面的 一切地點(diǎn)。并區(qū)分了時(shí)間和時(shí)刻的概念，如“始， 當(dāng)時(shí)也。 ”“ 時(shí)， 或有久， 或 無(wú)久。始， 當(dāng)無(wú)久。 ”就是說(shuō)， 時(shí)間可分為“持續(xù)（有久） 的 ”和“非持續(xù)（無(wú) 久）的 ”，即瞬時(shí)的兩種。 “開(kāi)始 ”則屬于“無(wú)久 ”的瞬時(shí)的那一種。墨家又
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把機(jī)械運(yùn)動(dòng)定義為“動(dòng)，或（域） 徒也 ”。意思是說(shuō)，運(yùn)動(dòng)乃是物體空間位置 的變動(dòng)。 《墨經(jīng)》中對(duì)力的概念提出了初步的論述。“力， 刑（形）之所以?shī)^也。 ” 即是說(shuō)， 力是使物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)或加快運(yùn)動(dòng)的原因。《墨經(jīng)》中還進(jìn)一步把重量與 力聯(lián)系了起來(lái)， “力， 重之謂。下與（舉），重， 奮也 ”。顯然它指出了物體的 重量也是一種力。并說(shuō)明物體下落或向上舉時(shí)，都有力的作用。墨家以桔槔和 秤的工作原理為例， 總結(jié)了杠桿的工作原理， 提出了“本（重臂） ”、“標(biāo)（力 臂） ”、“權(quán) ”、“重 ”等概念， 論述了等臂杠桿和不等臂杠桿的平衡條件， 并指出“挈， 長(zhǎng)重者下，輕短者上。”即杠桿的平衡，不但取決于兩物的重量， 還與“本 ”、“標(biāo) ”的長(zhǎng)短有關(guān)。可見(jiàn)墨家已知道了可以用兩種方法來(lái)調(diào)節(jié)杠 桿的平衡，并已進(jìn)行了杠桿原理的探討。 墨家還敘述了斜面上的物體失去平衡的道理，以及利用斜面來(lái)提升重物的 方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種裝著滑輪的前低后高的斜面車(chē)，稱為“車(chē)梯 ”，用來(lái) 載重物沿斜面不斷升高，以節(jié)省人力。 2.光學(xué)方面 《墨經(jīng)》從早為人們認(rèn)識(shí)的光的直線傳播原理出發(fā)，首先提出了影與光、 物之間的關(guān)系。如“景不徙，說(shuō)在改為。 ”就是說(shuō)影是不動(dòng)的，為什么有時(shí)看 到影在移動(dòng)呢？這是由于光源（或物體）移動(dòng)而使影改變位置的緣故。接著對(duì) 本影和半影及影子的大小跟光源、物體的關(guān)系等等作了論述，如“景二，說(shuō)在 重。 ”“景之大小，說(shuō)在迆正、遠(yuǎn)近。 ”這兩句分別是說(shuō)，兩種陰影區(qū)之所以 形成，是由于兩個(gè)光源的光線照射到同一物體上，在物體后面產(chǎn)生的兩個(gè)陰影 區(qū)互相重疊的結(jié)果。同一物體之影所以會(huì)有時(shí)大有時(shí)小，是由于光線照射于該 物體有時(shí)斜、有時(shí)正，以及光源離物體有時(shí)遠(yuǎn)、有時(shí)近的緣故。又如“景倒， 在午有端，與景長(zhǎng)，說(shuō)在端 ”，指出了小孔成像之所以倒立， 是由于光線在小 孔處交叉，至于像的長(zhǎng)短，則于小孔的位置有關(guān)。并進(jìn)一步說(shuō)“光之人照若射。 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。在遠(yuǎn)近有端與于光，故景庫(kù)內(nèi)也。 ”具體解釋了小孔成像的原因。 《墨經(jīng)》還介紹了平面鏡成像，敘述了凹面鏡、凸面鏡成像的規(guī)律，如“低， 景一小而易， 一大而正，說(shuō)在中之內(nèi)外。 ”即凹面鏡可以生成一個(gè)倒立縮小的
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實(shí)像，或一個(gè)正立放大的虛像，原因是由于人在球面中心和焦點(diǎn)之外還是之內(nèi)。 又如“ 團(tuán)，景一。 ”即物體不管離凸面鏡的距離遠(yuǎn)近如何，凸面鏡只可以生成 一個(gè)正立縮小的虛像。可見(jiàn)，墨家私學(xué)不僅相當(dāng)系統(tǒng)地研究和傳授了幾何光學(xué) 方面的知識(shí)，得出了精辟的見(jiàn)解和結(jié)論，而且在研究和傳授中已運(yùn)用了觀察、 分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法。 此外，墨翟曾在地下設(shè)甕，利用共鳴現(xiàn)象，探查敵方挖洞攻城的計(jì)謀。到 宋代曾公亮，在他的《武經(jīng)總要》中， 把這種方法稱為“甕聽(tīng) ”，這是聲學(xué)效 應(yīng)在軍事中的應(yīng)用。 二、《考工記》 《考工記》是春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期齊國(guó)人的一部科技著作。它是我國(guó)古代一部手 工技術(shù)規(guī)范的匯集。全書(shū)所論包括了當(dāng)時(shí)手工業(yè)的主要工種，并在論述各種手 工技術(shù)的同時(shí)，還闡述了其科學(xué)道理。經(jīng)分析可以看到在描述每一項(xiàng)手工技術(shù) 的文字中都包含了一定的物理知識(shí)，其中主要是力學(xué)和熱學(xué)方面。 1.力學(xué)方面。《考工記·輪人篇》在論述車(chē)輪制造時(shí)，以受力、運(yùn)動(dòng)和不同 接觸地面的影響等因素出發(fā)，在講到輪子的形狀與運(yùn)動(dòng)快慢之間的關(guān)系時(shí)說(shuō)： “凡察車(chē)之道……不微至，無(wú)以為速也 ”。“微至 ”是指輪和地面的接觸面積 少。就是說(shuō)， 車(chē)輪與地面接觸少，就容易轉(zhuǎn)得快。那么，怎樣才能達(dá)到“微至 ” 呢？它接著指出： “欲其微至也， 無(wú)所取之，取之圜（圓）。”即要盡量把輪子 做成理想圓。這是在實(shí)踐中對(duì)滾動(dòng)物體的滾動(dòng)速度與滾動(dòng)物體的接觸面積大小 有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是符合近代摩擦理論的。在論述如何檢驗(yàn)輪子各部分是否做 得均勻時(shí)，它說(shuō)：“楺輻必齊，平沈（沉）必均。”“水之以眡（視）其平沈之 均也。 ”這里水之，即浸入水中，如果“平沈 ”即浮沉相同，則輪子各部分必 定是均勻的，就符合制作輪子的要求了。這是浮力原理在制造輪子中的應(yīng)用。 在論述到輪子大小對(duì)拉力（牛或馬）的影響時(shí)，它說(shuō)：輪太矮，馬就老在上坡 一樣。從現(xiàn)在力學(xué)知識(shí)看，當(dāng)輪太低時(shí)，轅與地面成一角度，馬除了要克服運(yùn) 動(dòng)阻力外，要承受部分重力，因此馬總象上坡一樣費(fèi)勁。這是實(shí)踐中對(duì)斜面受 力的一種極好的分析。 《考工記》還分析了與彈道有關(guān)的技術(shù)。它在《矢人篇》中說(shuō)： “水之以 辯其陰陽(yáng)，以設(shè)其比，夾其比以設(shè)其羽，參分其羽，以設(shè)其刃，則雖有疾風(fēng)，
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亦弗之能憚矣。 ”這就是說(shuō)，為了要使箭在飛行中保持穩(wěn)定，采取了把箭上的 羽毛按一定比例對(duì)稱地安排，然后加上箭頭，則在飛行中就不怕風(fēng)的影響了。 接著又說(shuō)： “前弱則俛（俯），后弱則翔（仰），中弱則紆（紆絗旋轉(zhuǎn)之意），中 強(qiáng)則揚(yáng)。 ”“羽豐則遲，羽殺則。 ”這說(shuō)明了箭桿如果前輕后重， 或前重后輕， 都會(huì)影響飛行的高度；中間輕重配置不當(dāng)，會(huì)影響飛行的穩(wěn)定性；羽毛太多， 則飛行速度慢。而羽毛太少，則箭容易落向旁側(cè)，射不到目的物。 《考工記》最早作出了關(guān)于物體慣性的論述。在《辀人篇》中說(shuō)： “勸登 馬力，馬力既竭，辀尤能一取焉”。意思是說(shuō)， 馬拉車(chē)的時(shí)候，馬已停止用力 了，但車(chē)還能前進(jìn)一段路程，這里指出了物體的一種基本屬性慣性，這也是世 界上對(duì)慣性現(xiàn)象的最早論述。 2.熱學(xué)方面 《考工記》中論述的熱學(xué)知識(shí)，是很有實(shí)際意義的。它說(shuō)：“凡鑄金之狀， 金（銅） 與錫，黑濁之氣竭， 黃白次之，黃白之氣竭， 青白次之，青白之氣竭， 青氣次之。然后可鑄也。 ”指出了冶煉金屬時(shí)加熱后先呈暗紅色， 溫度漸高， 依次是呈橙色、黃色、白色、最后是青色。這是因?yàn)榻饘倮锖刑肌⑩c一類的 雜質(zhì)，不同物質(zhì)有不同的汽化點(diǎn)，所以可以根據(jù)汽化物質(zhì)的顏色作為判斷火候 或溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)，最后達(dá)到“爐火純青 ”，就可以澆鑄了。這個(gè)從實(shí)踐中總 結(jié)出來(lái)的區(qū)別冶煉金屬程度的實(shí)際知識(shí)，傳至今日，仍為冶煉工人所利用。 三、《論衡》 《論衡》是東漢王充所著， 內(nèi)容十分豐富，其所述的物理知識(shí)，也較之《墨 經(jīng)》有十分明顯的充實(shí)和發(fā)展。 1.力學(xué)方面 王充在對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仔細(xì)觀察的基礎(chǔ)上，在《論衡》中指出了人的 視覺(jué)，在觀察物體的運(yùn)動(dòng)快慢時(shí)會(huì)造成錯(cuò)覺(jué)的原因和如何量度物體運(yùn)動(dòng)的快慢。 他在《論衡》中說(shuō)： “天行已疾，人去高遠(yuǎn)，視之若遲。蓋望遠(yuǎn)物者， 動(dòng)若不 動(dòng)，行若不行；何以驗(yàn)之？乘船江海之中，順風(fēng)而驅(qū)，近岸則行疾，遠(yuǎn)岸則行 遲，船行一實(shí)也，或疾或遲，遠(yuǎn)近之視使之然也。 ”說(shuō)明是由于觀察者離運(yùn)動(dòng) 物體遠(yuǎn)近不同，因而感到它的快慢也就不同了的道理。這也說(shuō)明王充已知道了 視角差對(duì)于觀察物體運(yùn)動(dòng)快慢的影響。在關(guān)于運(yùn)動(dòng)的快慢上，又說(shuō)“ 日晝行千
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里，夜行千里，麒麟晝?nèi)找嘈星Ю铮粍t日行舒疾與麒麟之步相類似也。 ”意 思是太陽(yáng)和麒麟在日間運(yùn)動(dòng)的快慢相比是一樣的， 說(shuō)明已有了現(xiàn)代物理學(xué)中 “速率 ”概念之萌芽。 關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，說(shuō)： “是故車(chē)行于陸，船行于溝，其滿而重者行遲， 空而輕者行疾， ”“任重，其進(jìn)取疾速，難矣。 ”又說(shuō)“古之多力者，身能負(fù) 荷千鈞。乎能決角伸鉤，使之自舉。不能離地。 ”顯然已不僅知道在外力的作 用下，若外力大小一定，則物體越重， 要它開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，或使之運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變 化就越難。這顯然是現(xiàn)在稱之為牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的萌芽，而且還認(rèn)識(shí)到內(nèi)力 不能改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這一事實(shí)。 2.聲學(xué)方面 在《論衡》中有：“生人所以言語(yǔ)呼吁者， 氣括口喉之中， 動(dòng)搖其舌， 張歙 其口，故能成言。譬猶吹蕭笙，蕭笙折破，氣越不括 ’手無(wú)所弄，則不音。夫 簫之管猶人之口吞也， 手弄其孔猶人之動(dòng)吞也。 ”又說(shuō)： “令人操行變氣遠(yuǎn)近， 宜與魚(yú)等，氣應(yīng)而變，宜與水均。 ”可見(jiàn)他已認(rèn)識(shí)到人發(fā)聲是使空氣振動(dòng)而產(chǎn) 生的，并將聲音在空氣中的傳播用可見(jiàn)的水波的傳播來(lái)作了比喻。這種比喻， 在今天的物理教學(xué)中，在講光的干涉和衍射時(shí)，不是仍然在運(yùn)用嗎？在這里， 還應(yīng)特別予以注意的是王充實(shí)際上已指出了振動(dòng)的傳播要通過(guò)媒質(zhì)。 3.熱學(xué)方面 《論衡》中有“夫近水則寒，近火則溫， 遠(yuǎn)之漸微，何則？ 氣之所加，遠(yuǎn) 近有差也。 ”“云霧，雨之征也，夏則為露，冬則為霜，溫則為雨，寒則為雪， 雨露冰凝者， 皆由地發(fā)，不從天降也。 ”這些論述可以說(shuō)明， 王充不僅用“氣 ” 來(lái)解釋熱現(xiàn)象，指出熱傳遞與距離遠(yuǎn)近的關(guān)系，而且對(duì)自然界中雨、露、霜、 雪的成因也進(jìn)行了研究，指出了它們都是地面上的水蒸發(fā)所致，所以實(shí)質(zhì)上他 已進(jìn)入了物態(tài)與溫度之間的關(guān)系的研究。可見(jiàn)，王充對(duì)熱現(xiàn)象的觀察和分析是 十分細(xì)致深入的，這種運(yùn)用觀察、分析的方法對(duì)現(xiàn)在的物理教學(xué)和科學(xué)研究， 都有指導(dǎo)意義。 4.電磁方面 關(guān)于摩擦起電的現(xiàn)象， 西周末年已有“玳瑁吸褡 ”的記載。（玳瑁是一種跟 龜極相似的海生爬行動(dòng)物，產(chǎn)于中國(guó)沿海地區(qū)，它的甲殼黃褐色，光滑、有黑
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斑， 是一種絕緣體，故摩擦能生電）。在《論衡》中， 對(duì)這現(xiàn)象作了進(jìn)一步的解 釋： “頓牟拾芥，磁石引針，皆以其真，不假他類，他類肖似，不能掇取者， 何 也？氣性異殊，不能相感動(dòng)也。 ”這里頓牟即玳瑁， 王充用氣性相同， 也就是 性質(zhì)相同來(lái)解釋上述相互吸引的現(xiàn)象， 和氣性不同，即性質(zhì)不同來(lái)解釋別類物 體不能“感動(dòng) ”的原因。 對(duì)于“雷電 ”現(xiàn)象： “夫雷之發(fā)動(dòng)， 一氣一聲也。 ”即不過(guò)是一種氣和一 種聲而已。那么，為什么會(huì)有聲呢？他以“人傷于寒， 寒氣入腹，腹中素溫， 溫寒分爭(zhēng)，激氣雷鳴。 ”為喻，認(rèn)為是不同的氣相互激發(fā)出來(lái)的。可見(jiàn)，王充 認(rèn)識(shí)到雷電也是物質(zhì)的，也是自然界的一種變化現(xiàn)象。 四、運(yùn)用力學(xué)原理的創(chuàng)造發(fā)明渾天儀與地動(dòng)儀 漏水運(yùn)轉(zhuǎn)渾天儀和候風(fēng)地動(dòng)儀，是東漢張衡（公元 78—139 年）根據(jù)物理 的力學(xué)原理先后制成的。它們分別在天象和地震觀察上發(fā)揮了作用。漏水運(yùn)轉(zhuǎn) 渾天儀是一臺(tái)自動(dòng)測(cè)示天象的儀器，它以一空心銅球表示天球，天球畫(huà)有星座 和黃道、赤道，緊附在天球外的有地平環(huán)和子午環(huán)等，天球可以支架在子午環(huán) 上繞天軸轉(zhuǎn)動(dòng)。另外把計(jì)量時(shí)間的漏壺與渾象聯(lián)系起來(lái)， 即利用漏壺的等時(shí)性， 以漏壺漏出的水為原動(dòng)力，再通過(guò)渾象內(nèi)部裝置的齒輪等使傳動(dòng)和控制設(shè)備， 以使渾象每日均勻地繞天軸旋一周從而達(dá)到自動(dòng)地、近似正確地演示天象的目 的。候風(fēng)地動(dòng)儀以精鋼制成，形似酒尊，里面均勻排列八根“都柱 ”上粗下細(xì) 的立柱。由于都柱重心高，當(dāng)?shù)孛嬉挥姓饎?dòng)，就極容易向震動(dòng)方向倒下。尊外 相應(yīng)地設(shè)置八條口含小銅球的龍，每個(gè)龍頭下面都有一只蟾蜍，昂首張口（見(jiàn) 插頁(yè)圖 5）。當(dāng)某一都柱倒下時(shí)， 就帶動(dòng)了連接的龍，使龍口張開(kāi)，所含的銅球 落下到其下面的蟾蜍口中。因此觀察落下的銅球的方位，就可判斷地震發(fā)生的 方向。 五、《夢(mèng)溪筆談》 《夢(mèng)溪筆談》是北宋中期的政治家和科學(xué)家沈括（1031—1195）所著， 這 是中國(guó)科學(xué)史上一部重要的著作，英國(guó)科技史家李約瑟把它稱為“ 中國(guó)科技史 上的座標(biāo) ”。《夢(mèng)溪筆談》這一舉世聞名的科學(xué)巨著， 內(nèi)容涉及領(lǐng)域十分廣闊。 在物理知識(shí)方面，主要是生動(dòng)地記述了磁學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)知識(shí)。 1.磁學(xué)方面
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早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期， 我國(guó)發(fā)現(xiàn)磁石具有吸鐵和指南的性質(zhì)。到北宋的沈括， 他對(duì)指南針的使用作了多種試驗(yàn)。例如，他作了把指南針設(shè)法放在水面上（水 浮法），碗邊上（碗唇法），手指甲上和把指南針懸掛起來(lái)等試驗(yàn)，并且進(jìn)行比 較，指出了它們各自的特點(diǎn)，這可以說(shuō)是世界上關(guān)于指南針的最早實(shí)驗(yàn)記錄。 同時(shí)其實(shí)驗(yàn)方法也十分巧妙。例如，他是如何把指南針懸掛起來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的呢？ “其法取新紆中獨(dú)繭絲，以芥子許蠟綴于針腰，無(wú)風(fēng)處懸之，則針常指南”。 （《夢(mèng)溪筆談》卷 24）這種指南針的實(shí)驗(yàn)方法在今天看來(lái)，仍不失為是值得仿效 的較好方法。 更可欽佩的是，《夢(mèng)溪筆談》上還指出了“方家以磁石磨針?shù)h，則能指南， 然常微偏東，不全南也。 ”說(shuō)明沈括在實(shí)驗(yàn)中已發(fā)現(xiàn)了磁偏角。西方一般認(rèn)為 哥倫布在 1492 年遠(yuǎn)渡大西洋時(shí)首先觀測(cè)到磁偏角， 實(shí)際上沈括的發(fā)現(xiàn)要比哥倫 布早 400 多年。 2.光學(xué)方面 在《夢(mèng)溪筆談》中，有許多光學(xué)方面的觀察和實(shí)驗(yàn)的記錄及其分析。如對(duì) 日蝕、月蝕的成因作了理論總結(jié)，并第一次用類比演示實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證月亮圓缺的 科學(xué)道理。其中說(shuō)： “如一彈丸，以粉涂其半， 側(cè)視之， 則粉處如鉤， 對(duì)視之， 則正圓。 ”（《夢(mèng)溪筆談》卷七）在該書(shū)中還除了通俗地講凹面鏡成像和針孔成 像的道理，對(duì)光的直線傳播、光的折射現(xiàn)象和虹的形成進(jìn)行了研究和解釋以外， 還曾認(rèn)真地作過(guò)凹面鏡成像的實(shí)驗(yàn)，得到了較《墨經(jīng)》前進(jìn)一步的結(jié)果。如： “陽(yáng)燧面洼，以一指迫而照之則正， 漸遠(yuǎn)則無(wú)所見(jiàn)，過(guò)此遂倒。”（《夢(mèng)溪筆談》 卷三）這里所謂“過(guò)此 ”的“此 ”，指凹面鏡的焦點(diǎn)和中心之間的這段距離， 沈括又稱之為“礙 ”。這就明確地指出了物在凹面鏡焦點(diǎn)之內(nèi)時(shí)得正像，在焦 點(diǎn)和中心之間看不到像，而在中心之外時(shí)得倒像。 《夢(mèng)溪筆談》中還對(duì)我國(guó)的一種古銅鏡透光鏡的透光原理，也作了精辟的 解釋。透光鏡可能在西漢時(shí)代已能制作，最早記載于隋唐之際王度的《古鏡記》 中，該書(shū)說(shuō)透光鏡“承日照之，則背上文、畫(huà)、墨入影內(nèi)，纖毫無(wú)失”。對(duì)于 這種現(xiàn)象歷來(lái)引起人們的注意，沈括對(duì)它的制造工藝和原理作了探討，他說(shuō)： “此為鑄時(shí)薄處先冷，唯背文差厚，后冷而銅縮多，文雖在背，而鏡面隱然有 跡， 所以于光中現(xiàn)。”（《夢(mèng)溪筆談》卷十九） 這個(gè)解釋表明，由于鏡背圖案花
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紋，致使整個(gè)鏡子厚薄不勻，因此在鑄造時(shí)厚薄不同，冷卻有先后，后冷而銅 縮多，造成鏡面也有和背面圖案相同的微小的凹凸花紋，在它反射光線時(shí)就顯 現(xiàn)出來(lái)了。 一句話，就是鏡面的銘文是由于銅的收縮有差別所造成的。 據(jù)近來(lái)的中外研究，冷卻法和磨刮法均可得到透光鏡的效果，但從制鏡的 技術(shù)上看，較一致的看法，是認(rèn)為利用磨刮的方法而成的。 3.聲學(xué)方面 《夢(mèng)溪筆談》中闡述的聲學(xué)知識(shí)，包括關(guān)于樂(lè)律，古樂(lè)鐘的發(fā)聲，古琴的 制作和傳聲、共鳴等等，并記載了一個(gè)作者精心設(shè)計(jì)的共振實(shí)驗(yàn)。由于弦振動(dòng) 比較微弱，不易觀察，他剪了一些紙人放在弦上來(lái)作試驗(yàn)。他寫(xiě)道： “琴瑟皆 有應(yīng)聲：宮弦則應(yīng)少宮，商弦則應(yīng)少商，其余皆隔四相應(yīng)。今曲中有聲者， 須 依此用之。欲知此應(yīng)者，先調(diào)弦令和聲，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人 躍，他弦即不動(dòng)。 ”這比英國(guó)人諾布爾和皮戈特使用類似的方法來(lái)演示共振現(xiàn) 象要早約 6 個(gè)世紀(jì)。還值得指出的是，沈括的這個(gè)用簡(jiǎn)單的儀器來(lái)證明弦線的 基音與泛音共振關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，形象十分生動(dòng)，若用于教學(xué)，更會(huì)引起學(xué)生學(xué)習(xí) 物理的興趣。 沈括除了上述把聲學(xué)知識(shí)廣泛應(yīng)用于樂(lè)器的調(diào)、制以外，他還用來(lái)科學(xué)地 解釋生活中與此有關(guān)的種種現(xiàn)象，例如他在《夢(mèng)溪筆談》中記載了他在行軍時(shí) 應(yīng)用的聲學(xué)知識(shí)。他寫(xiě)道： “古法以牛皮為天服（即箭袋），臥則為枕， 取其中 虛，附地振之，數(shù)里內(nèi)有人馬聲，則皆聞之，蓋虛能納聲也。 ”沈括的這種注 重知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于我們今天進(jìn)行物理教育，也是值得借鑒的。 六、《草象新書(shū)》 《草象新書(shū)》是我國(guó)古代突出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家趙友欽（1279—1368）所著。 他在書(shū)中對(duì)光學(xué)現(xiàn)象作了比較深入的研究和詳細(xì)的描述，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小孔成 像的研究，指出了小孔成像的規(guī)律。 從實(shí)驗(yàn)知道，光通過(guò)小孔時(shí)，不論孔的形狀如何，屏上得到的光斑總是發(fā) 光物的像。當(dāng)孔相當(dāng)大時(shí)，則屏上得到的光斑形狀隨孔的形狀而定， 孔方則方， 孔圓則圓。他對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋是“罅小則不足容日月之體， 是以隨日、月之 形而圓，及其缺則皆缺。 ”“罅大而可容日、月之體也。 ”說(shuō)明了小孔成像與 孔的大小有關(guān)。
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為了證明這個(gè)結(jié)論，趙友欽設(shè)計(jì)了一個(gè)完備的實(shí)驗(yàn)（趙友欽實(shí)驗(yàn)圖見(jiàn)插頁(yè) 圖 7）。他把一個(gè)二層樓房作為實(shí)驗(yàn)室， 在樓下的兩間房子的地面上各挖一個(gè)直 徑約 1.33 米（四尺）的圓井，右邊井深約 1.33 米（四尺），左邊井深約 2.66 米（八尺），在左邊井里放一只約 1.33 米（四尺）高的桌子，在左井桌上和右 井井底各放一塊密插 1000 多支蠟燭的圓板， 作為光源，把它們看作太陽(yáng)或月 亮。在樓板上各有一小方孔，左邊的孔寬約 3.3 厘米（一寸），右邊的孔寬約 1.65 厘米（半寸）。他的這些設(shè)計(jì)都是有道理的。例如他用相鄰兩個(gè)房間而樓板 開(kāi)孔不同，就是為了對(duì)比；他把作為光源的蠟燭放在井內(nèi)，就可以使?fàn)T焰比較 穩(wěn)定；井開(kāi)得相當(dāng)大，就可以放得下 1000 多支燭； 樓板上孔是較小的方形，可 以看到出現(xiàn)的像是圓形，證明像的形狀與小孔的形狀無(wú)關(guān)，只是孔較大的較明 亮，孔較小的較暗淡。但光源的形狀如果改變，像的形狀也要改變，例如， 熄 滅一半蠟燭，光源變?yōu)橐话雸A形時(shí)，像也缺了一半， 燭盤(pán)缺左半，像缺右半； 燭盤(pán)缺右半，像缺左半，證明小孔成的像是倒像。如果撤去左井內(nèi)小桌，把燭 盤(pán)放在井底，也就是增大了光源與小孔的距離（物距），則天花板上的像就縮小， 而亮度卻增加了。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是考慮得很周密的。 經(jīng)過(guò)一系列的周密的觀察實(shí)驗(yàn)以后， 趙友欽指出： “凡景近竅者狹，景遠(yuǎn) 竅者廣；燭遠(yuǎn)竅者景亦狹，燭近竅者景亦廣。景廣則淡，景狹則濃。燭雖近而 光衰者， 景亦淡， 燭雖遠(yuǎn)而光盛者， 景亦濃。由是察之，燭也，光也，竅也，景 也，四者消長(zhǎng)勝負(fù)，皆所當(dāng)論者也。 ”趙友欽的這種正確科學(xué)論斷，西方直到 16 世紀(jì)末才由開(kāi)普勒得出， 比我國(guó)晚了 300 年。 這里也應(yīng)指出的是，趙友欽在進(jìn)行上述小孔成像的研究中，采用的那種實(shí) 驗(yàn)步驟，即只改變孔的大小；只改變光源的形狀；只改變像距；只改變物距； 只改變孔在物、像間的位置，即同時(shí)改變像距和物距等等，都是確定一個(gè)因素 作為研究對(duì)象，而將其他因素控制不變的實(shí)驗(yàn)方法，至今仍為物理教學(xué)廣泛采 用。 七、聲學(xué)效應(yīng)在樂(lè)律上的運(yùn)用十二平均律 近代樂(lè)器上用的新律制十二平均律，是明代樂(lè)律理論家朱載堉(公元 1536— 1610)提出和創(chuàng)造的。在我國(guó)，早在周初，就有了在一個(gè)音階中確定的十二個(gè)律， 并在十二律中選取五個(gè)或七個(gè)音組成一個(gè)音階的樂(lè)制。大約在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，
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我國(guó)開(kāi)始使用定律調(diào)音的三分損益法， 來(lái)確定管或弦的長(zhǎng)短和發(fā)音高低之間的 關(guān)系（見(jiàn)《管子·地員篇》）。這種方法就是從一個(gè)被認(rèn)定為基音的弦（或管） 的長(zhǎng)度出發(fā)，把它三等分，再去掉一份（ “損一 ”）或加上一份（ “益一 ”）， 以此來(lái)確定另一個(gè)音的長(zhǎng)度。在數(shù)學(xué)上， 就是把發(fā)音的弦長(zhǎng)乘以 2/3 或 4/3，以 此類推下去，直到在弦（或管）上得出比基音約高一倍或低一倍的音，就完成 了一個(gè)音階的計(jì)算。應(yīng)用這種三分損益后完成一個(gè)音階中各律的計(jì)算以后， 比 基音高（或低） 8 度的音只能的高（或低） 一倍，而不能剛好一倍， 這樣就不能 真正組成一個(gè)完整的 8 度，為了消除這個(gè)差數(shù)，達(dá)到對(duì)音樂(lè)藝術(shù)更高的要求， 自漢代以來(lái)，不少音律樂(lè)家提出過(guò)許多修正的方法，但都不能得到簡(jiǎn)單、合理 而又精確的結(jié)果。朱栽堉于 1584 年以公比的等比級(jí)數(shù)分配音律， 使一個(gè)音階中 任何兩個(gè)相鄰音律之間的公比都是，或音程為 100 音分，從而徹底消除了三分 損益法出現(xiàn)的差數(shù)。朱栽堉的這種科學(xué)地運(yùn)用聲學(xué)效應(yīng)的革命性變革，極有利 于曲調(diào)的創(chuàng)作和樂(lè)器的制作，具有很高的科學(xué)性和實(shí)用價(jià)值。 十二平均律的提出，在我國(guó)物理學(xué)的研究和音樂(lè)教學(xué)中，具有特別重要的 意義，這就是從物理現(xiàn)象的定性討論進(jìn)入定量的數(shù)學(xué)計(jì)算，這在我國(guó)古代物理 學(xué)的研究中是一項(xiàng)創(chuàng)舉， 而且與西歐比較起來(lái)， 也早于法國(guó)約 50 年。因此，當(dāng) 這項(xiàng)發(fā)明由傳教士傳入歐洲時(shí)，引起了整個(gè)世界的轟動(dòng)，并得到了德國(guó)物理學(xué) 家亥姆霍茲的高度評(píng)價(jià)。 中國(guó)古代在物理知識(shí)的傳授中，涉及到的知識(shí)面是相當(dāng)廣泛的，它不僅涉 及到力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)，而且也探討了物質(zhì)的本源。同時(shí)也可 看出，古代在物理知識(shí)代代相傳的過(guò)程中，也有獨(dú)到的見(jiàn)解和創(chuàng)造性的應(yīng)用。 然而由于中國(guó)封建社會(huì)的政治制度、教育制度和經(jīng)濟(jì)體制等等因素，對(duì)科學(xué)發(fā) 展的扼制，使不少對(duì)物理學(xué)的形成很有價(jià)值的科學(xué)思想或創(chuàng)造發(fā)明，都因得不 到應(yīng)有的重視和支持而湮沒(méi)不聞，或者時(shí)斷時(shí)續(xù)，甚至要隔幾代后再重復(fù)前人 的工作，以致造成我國(guó)學(xué)校中的物理教育直到 19 世紀(jì) 60 年代，西歐已到了物 理學(xué)家人才輩出的時(shí)期才遲遲起步，這個(gè)教訓(xùn)是十分深刻的。
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