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我國古代物理學的主要成就

中國古代的物理學成就——易經。

時空觀的先進性

在歐洲,人們對時間和空間的認識是割裂的,孤立的,直到20世紀初,相對論才把空間和時間科學地統壹起來。但在中國古代,遠在先秦時期,不少哲人就把空間和時間聯系起來考慮。戰國時期成書的《管子·宙合》篇,把時間稱為“宙”,空間稱為“合”,其中說,“天地,萬物之橐,宙合又橐天地”,意思是說,萬物都包涵在天地之內,而天地又包涵在時空的“宙合”之中。墨家對時空的認識又有了新發展,他們把空間稱為“宇”,包括東南西北、四面八方的各種不同場所和方位,把時間稱為久,“宇久”就是現代的宇宙。

物質無限可分論的最旱提出者

戰國的惠施已經認識到“至小無內,謂之小壹”,意思是說物的構成單位沒有內部的極限,是無限小的。與惠施同時代的辯者還用具體比喻來說明物質的無限可分性,即“壹日之捶,日取其半,萬世不竭”。這種物質不可窮盡的觀點,比古希臘的原子論更深刻地反映了自然界的辯證本性。

對雪花晶體的認識

古代歐洲對雪花晶體的認識始於13世紀,阿爾伯特斯於1260年提到“雪花是星狀的。”但對雪花晶體六角對稱性的認識,西方直到開普勒才實現。1611年,開普勒在《把六角形的雪花作為新年禮物》的論文中肯定了雪花的六角晶體結構。中國古人對雪花晶體六角對稱性的認識始於西漢的韓嬰,公元前135年,他在《韓詩外傳》中說:“凡草木花多五出,雪花獨六出”。這比歐洲要早十幾個世紀。

利用振動原理制成的噴水魚洗

噴水魚洗,壹個類似銅盤的器物,其外緣上有壹對稱豎起的雙耳。當盆內盛水時,如來回摩擦銅盆的雙耳,會產生嗡嗡的響聲,同時有水柱從水面升起。早在中國五代時期,晉國被遼國戰敗,晉皇帝投降時(946年)曾向遼太宗貢獻了壹個能噴水的雙魚瓷盆,這是我國古籍記載中最早的噴水魚洗。銅質噴水魚洗的出現則在北宋後期,在宣和年間(1119—1125)還出現了能噴水的瑪瑙質魚洗。

魚洗噴水的原理是振動,壹種規則的類似圓柱形板的板振動。振動從雙耳傳到側壁,產生垂直於水面的橫向振動,使水面濺起水花。

西方對板振動的研究始於18世紀下半葉德國的克拉尼。為使板振動變為可見,他在金屬板上撒上壹層薄砂,然後敲擊金屬板使它振動,板上的細砂就移到那些不振動的波節線上。他由此畫下的各種振動圖形就是克拉尼砂圖。中國的噴水魚洗比克拉尼振動板早7個世紀。

對***振現象的認識與實驗 我國古代很早就對***振現象有記述,公元前3世紀—4世紀的《莊子》壹書就記載了調瑟時發生的***振現象。這種基音與泛音***振現象的發現比西方早得多,歐洲直到15世紀才由達·芬奇首次進行***振實驗。《墨子·備穴篇》還記述了***振現象的具體應用:在城墻根下每隔幾米,挖壹個坑,坑內埋置容量為70升—80升的陶甕,甕口蒙上皮革。若有敵人挖地道攻城,可以根據各陶甕聲響情況,確定敵人挖掘的位置和方向。

中國古代不僅很早就懂得***鳴現象,還掌握了消除***鳴的方法。唐代著作《劉賓客嘉話錄》記載了這方面的壹個故事:洛陽某和尚的房裏掛有壹個磬,經常自鳴發聲,和尚因此驚憂成疾。壹天朋友曹紹夔來訪,發現磬的自鳴是由寺院的鐘聲引起的,就用銼把磬銼磨了幾下,果然,鐘再響時磬不再自鳴了。

世界上最早的遊標卡尺

公元初年,王莽變法改制,制作了壹種銅卡尺。它長14.22厘米,分固定尺和活動尺兩部分。尺的正面刻有寸、分等刻度。從原理、性能、用途看,這個遊標卡尺同現代的遊標卡尺十分相似,但它比西方科學家制成的遊標卡尺早1700多年。

常平架裝置

公元4世紀前成書的《西京雜記》記載了長安工匠丁緩發明的被中香爐。當將香爐中的檀香木塊點燃後,可以把香爐隨便放進被子裏,不僅不會燒壞被子,連香爐灰也不會撒出來。奧妙在於爐內有壹種叫“常平架”的裝置,它由內外兩個金屬環組成,兩環用轉軸聯結,外環又通過另壹轉軸與外架聯結。這種常平架裝置在近代航海磁羅經、電羅經上有廣泛應用。歐洲直到16世紀才出現常平架裝置,比中國晚了1600多年。

物理相關的中國的世界第壹還有許多,如磁偏角和磁傾角的發現、對太陽能的利用、潛望鏡、透光銅鏡、光的直線傳播、小孔成像、十二平均律等方面的發明和發現,都是在世界上最早的。

浮力定律的應用,曹沖稱象,不過沒有上升到理論。

萬戶飛天:火箭原理的起始者。

先秦時期的偉大哲學家墨翟(約公元前468-前376)及其墨家學派 (公元前4世紀-公元前3世紀)在他們的論著《墨經》中記述了大量的物理知識,這是春秋戰國時期物理學成就最大的學派,《墨經》的主要成就在力學與光學方面。它探討了力的定義,敘述了慣性運動,研究了杠桿、滑輪、輪軸、斜面等裝置省力的原因,以及浮力與平衡原理,指出了光的直線傳播及反射規律以及小孔、平面鏡、凹凸面鏡的成像情況;觀察了溫度與火色的關系。同時期的《考工記》是應用力學、聲學方面的書,記載了滾動摩擦、斜面運動、慣性現象、拋物軌道、水的浮力、材料強度以及鐘、鼓、磬的發音、頻率、音色、響度及樂器形狀的關系。這時期的《管子·地數篇》、《鬼谷子》、《呂氏春秋》等書中還記載了天然磁石的吸鐵現象以及最早的指南針“司南”。

漢代王充(27~約97)的《論衡》是中國中古時期的百科全書。在力學方面指出外力能改變物體的運動狀態,改變運動速度。而內力不能改變物體的運動,還討論了相對運動,在聲學方面研究了聲的發生、傳播與衰減,並用水波做比喻。在熱學方面研究了熱的平衡、傳導及物態變化。在光學方面闡述了光的強度、光的直線傳播及球面聚焦現象。在電磁學方面記錄了摩擦起電及磁指南器。

在唐代,《玄真子》中記敘了人造虹的簡單實驗:“背日噴水”。唐人將風力分為八個等級。了解到***鳴的道理並應用於音樂中,並指出了雷與電的關系。

宋代沈括(1031-1095)的《夢溪筆談》具有很高的科學價值,被稱為 “中國科學史上的坐標”,其主要成就是在聲學、光學、磁學方面。他研究了聲音的***振現象、針孔成像與凹凸鏡成像規律,形象地說明了焦點、焦距、正倒像等問題;研究了人工磁化方法,指出了把磁場的磁偏角,討論了指南針的裝置方法,為航海用指南針的制造奠定了基礎。他還研究了大氣中的光、電現象。

元代的趙友欽(1279-1368)在《革象新書》中研究了光的直進、針孔成像,利用模擬實驗研究月亮盈虧以及日、月蝕。他擅長用比喻解釋自然現象,使之生動、形象,易於被人們理解。

在明、清時代,朱載堉(1536-1610)在《樂律全書》中用精密方法首次闡明了音樂中的十二平均律。方以智(1611-1671)兼取古今中外知識精華,在《物理小識》中涉及力、光、磁、熱學,研究了比重、濃度、表面張力及杠桿原理,螺旋原理,研究了光的反射、折射、光學儀器,進行了分光實驗解釋虹,還研究了磁偏角隨地域的變化以及金屬導熱問題。《物理小識》是300年前的壹部科學著作。

我國是對磁現象認識最早的國家之壹,公元前4世紀左右成書的《管子》中就有“上有慈石者,其下有銅金”的記載,這是關於磁的最早記載。類似的記載,在其後的《呂氏春秋》中也可以找到:“慈石召鐵,或引之也”。東漢高誘在《呂氏春秋註》中談到:“石,鐵之母也。以有慈石,故能引其子。石之不慈者,亦不能引也”。在東漢以前的古籍中,壹直將磁寫作慈。相映成趣的是磁石在許多國家的語言中都含有慈愛之意。