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秦汉时期的物理学.doc

秦汉时期的物理学.doc

上传者: zhangshulin 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《秦汉时期的物理学doc》,可适用于人文社科领域,主题内容包含秦汉时期的物理学秦汉时期的物理知识有着丰富的内容在力学、热学、声学、光学、电和磁等方面同先秦时期相比都有不少新的成果。  力学知识关于力的性质和作用符等。

秦汉时期的物理学秦汉时期的物理知识有着丰富的内容在力学、热学、声学、光学、电和磁等方面同先秦时期相比都有不少新的成果。  力学知识关于力的性质和作用的认识继春秋战国时期墨家学派对力进行定义(“力刑之所以奋”)之后秦汉时期对力的认识又有发展。在西汉刘安(前前)组织编写的《淮南子》、《淮南万毕术》和东汉王充(约)所著的《论衡》等著作中有许多精彩的论述。归纳起来约有以下几点:物体内力不能使物体自身发生运动:“力重不能自称须人乃举。古之多力者身能负荷千钧手能决角伸钩使之自举不能离地。”这是关于物体的内力不能使物体自身产生运动的最早表述。  外力的作用因物体重量的不同而不同:“湍濑之流沙石转而大石不移。何者?大石重而沙石轻也。金铁在地焱风不能动毛芥在其间飞扬千里。”物体形状影响了物体的运动:“圆物投之于地东西南北无之不可策杖叩动才微辄停方物集地一投而止及其移徒须人动举。”移动物体所需之力比举起物体所需之力少:“夫举重鼎者力少而不能胜也及至其移徙之不待其多力者。”就是说移动物体要比举起该物用力少。这是从日常生活经验中就可得知的但已隐含着对移动摩擦阻力问题的认识。此同先秦著作《考工记》中所提到的车轮着地须“微至”以减少滚动摩擦阻力的认识相类似。有锋刃的器具也须外力作用才能产生运动:“凿所以入木者槌叩之也锸所以能撅地者跖蹈之也。诸有锋刃之器所以能断割削者手能把持之也力能推引之也。”如果没有外力利器也不能发挥作用:“干将之刃人不推顿苽瓠不能伤苽瓠之箭机不动发鲁缟不能穿。”截面积对压力有直接影响截面积越大压力越小:“针锥所穿无不畅达使针锥末方穿物无一分之深矣。”关于“势”的概念在先秦著作《孙子势篇》中提出了“势”的概念此概念包含了物理学中的动能和势能。如“激水之疾至于漂石者势也”指的是动能“转圆石于千仞之山者势也”指的是势能“势如彍弩节如发机”指的是弹性势能。至秦汉时期对于“势”的概念亦多有论述。如“夫舟浮于水车转于陆此势之自然也。”“夫七尺之桡而制船之左右者以水为资。天子发号令行禁止以众为势也。”《论衡效力》。  《论衡状留》。  《论衡状留》。  《淮南子主术训》。  《论衡效力》。  《论衡效力》。  《论衡状留》。  《淮南子主术训》。  “是故得势之利者所持甚小其存甚大所约甚守所制甚广。是故十围之木持千钧之屋五寸之键制开阖之门。岂其材之巨小足哉所居要也。”十围之木与五寸之键巨小悬殊但因五寸之键居于要处故其用甚大。对于弓矢之势视远近而有别:“矢之于十步贯兕甲及其极不能入鲁缟。”注云:“言势有极。”就是说矢至最大射程时动能为零(势有极)虽薄如鲁缟亦无力穿入。对浮力的认识和利用对水浮力:远古时代已有舟楫因而对水浮力早有所认识。秦汉时期造船业具有一定规模水浮力在实践中得到广泛的利用。如“抱壶而渡水”“鸿毛之囊可以渡江。”也就是说空壶和装满鸿毛的皮囊可以助人渡江。这可看成是后世救生圈、救生衣的滥觞。人们还从竹和金属相比较角度对水浮力进行探讨:“长竹之性浮残以为牒束而投之水则沉失其体也金之性沉托之于舟上则浮势有所支也。”秦汉时期对空气浮力也有一定的认识。相传帝舜曾借助于空气浮力而免于死难。因舜父瞽叟偏爱后妻子常欲杀舜。有一次瞽叟让舜上粮仓(廪)修顶“瞽叟从下纵火焚廪。舜乃以两笠自扦而下去得不死。”王莽时为抗击匈奴特招募“有奇技术可以攻匈奴者或言能飞一日千里可窥匈奴。莽辄试之取大鸟翮为两翼头与身皆著毛通引环纽飞数百步坠。”这是人类第一次仿生滑翔飞行的大胆尝试。对于表面张力的认识秦汉时期人们已注意观察液体的表面记载了一种属于液体表面强力的现象。《淮南万毕术》云:“首泽浮针。”高诱注:“取头中垢以涂针塞其孔置水即浮。”因头垢有油脂涂在针表面并塞其孔钟与水便不浸润当针足够轻的时候由于水的表面张力的作用便能使针浮于水面。这是关于表面张力的最早记载。其后晋葛洪说:“头垢犹足以使金铁浮水况妙于兹乎?”即是指表面张力现象。对大气压力的利用有关利用大气压力的具体例子突出表现在制造虹吸管上。东汉灵帝中平年间(公元年)掖庭令毕岚曾作“翻车”、“渴乌”李贤等注云:“翻车设机车以引水渴乌为曲筒以气引水上也。”渴乌就是利用大气压力而制成的虹吸管。此种虹吸管自汉代以后历代都有制造。《淮南子主术训》。  《淮南子主术训》。  《淮南子说林训》。  《淮南子说林训》。  《淮南万毕术》。  《史记五帝本纪》。  《汉书王莽传》下。  《抱朴子登涉》。    关于运动问题汉代有一段非常精彩的论述:“地恒动不止人不知譬如人在大舟中闭牖而坐舟行不觉也。”这段话清楚地表明了地动思想和运动相对性思想是十分可贵的。可惜的是这两种重要思想未受到后世应有的重视。  《后汉书张让传》。  《太平御览》卷三六引《尚书纬考灵曜》。  热学知识对热的认识和利用热是人类须臾不可离的。秦汉时期人们在日常生活中逐渐积累了不少热的知识。  在燃料方面人们除了使用木炭和煤以外还发现了新的能源石油。《汉书地理志》载:“高奴有洧水可燃。”当地人用它来做过燃料是有可能的。  这一时期对烟囱和火道等通风设施与燃烧程度的关系也有一定的认识。  当时已有关于“曲突徙薪”的见解:“客有过主人者见其灶直突傍有积薪。客谓主人更为曲突远徙其薪不者且有火患。”这里的“突”指的是烟囱“直突”就是把烟囱安在火膛的上方“曲突”则是让火焰先通过一段火道然后再通向烟囱。直突火势过盛容易招致火灾因此居家不宜而曲突可使火势延缓有利于炊事安全。  秦汉时期人们已能利用热胀冷缩的现象于工程施工上。据载秦国李冰父子在修建都江堰的施工中曾采用“积薪烧之”的方法坼裂岩石开山劈岭。即是先用柴草烧炽岩石使其热胀冷缩不均匀而致裂解。东汉武都太守虞诩在开通粮道时也使用此法:“使人烧石以水灌之石皆坼裂因镌去石。”这是工程实践中的巧妙发明。  秦汉时期人们还开始利用热气流。《酉阳杂俎》载:“汉高祖入咸阳宫宝中尤异者有青玉灯檠高七尺五寸下作蟠螭以口衔灯。灯燃则鳞甲皆动炳焕若列星。”蟠螭的鳞甲可能是很薄的金属片所制燃灯所产生的热气流向上冲动这些鳞片致使其炳焕若列星。除了生产生活实践中利用热气流外人们还做些热气流或热膨胀方面的科学实验。《淮南万毕术》云:“艾火令鸡子飞。”高诱注:“取鸡子去其汁燃艾火内空卵中疾风因举之飞。”事实上由燃艾而引起的热气流外喷不足以令鸡子自飞但空卵内的空气受热膨胀而使比重减小从而在疾风中飞行短短的一段是有可能的。后世热气球的原理与此完全相同只是升力更大而已。对水的三态变化的认识和利用秦汉时期已经知道水的三态变化并且知道水的蒸发、凝结同温度有密切的关系。如《大戴礼记》说:“天地积阴温则为雨寒则为雪。”《论衡》更进一步指出:“云雾雨之征也。夏则为露冬则为霜温则为雨寒则为雪。”汉刘熙《释名》曰:“雪绥也。水下遇寒而凝绥绥然下也。”《韩诗外传》曰:“凡草木花多五出雪花独六出。雪花曰霙雪云曰同云。”《汉书霍光传》。  常璩:《华阳国志蜀志》。  《后汉书虞诩传》注引《续汉书》。  段成式:《酉阳杂俎物异》。  《论衡说日》。  汉代人们还做过沸水骤然冷却的实验由此可以获得低于大气压力的效应尽管古人当时可能没有低压的概念但在实践中已有此经验知识。《淮南万毕术》云:“铜瓮雷鸣。”高诱注:“取沸汤置铜瓮中坚密塞内之井中则雷鸣闻数十里。”这是二次沸腾现象。沸汤倒入铜瓮后即止沸。但坚密塞后入井中骤冷瓮中液面蒸汽由于迅速冷凝而使气压骤降因而引起了二次沸腾同时因瓮内气压低致使外力挤压铜瓮从而使瓮壁塌陷或破裂发出巨响。至于声闻数十里则是夸张之词。  《淮南万毕术》还提到用沸汤造冰的实验:“取沸汤置瓮中密以新缣沉井三日成冰。”这是属于通过减压来提高冰点的实验。但是此种气压的降低对水的冰点的提高影响甚微因此这个实验是不可能成功的。可是既有如此记载说明当时人们是在没有经验事实的情况下提出人工造冰的想法的必定是受到了某些经验的启示。我国古代典籍中不止一次提到“夏造冰”。如《庄子徐无鬼》说到鲁遽的弟子曰:“我得夫子之道矣吾能冬爨鼎而夏造冰。”这里的“夏造冰”只是说说而已未必能造成。《淮南子》对此就明确地否定在“以冬铄胶以夏造冰”句下高诱注曰:“言以非时铄胶、造冰难成之也。”这说明当时的人就指出:“夏造冰”是不可能的。但是从获得低气压的手段来说上面两条实验是很先进、很了不起的。  成书于西汉的《黄帝内经》曾谈到寒温燥湿对大地的影响:“燥胜则地干暑胜则地热风胜则地动湿胜则地泥寒胜则地固矣。”又说:“燥以干之暑以蒸之风以动之湿以润之寒以坚之火以温之。故风寒在下燥热在上湿气在中火游行其间。”人们生活在不断变化的寒温燥湿的环境中需要时刻掌握其变化规律。在对寒温燥湿的大量实践认识的基础上人们制造了最原始的温度计和湿度计。  最原始的温度计是利用水的结冰和溶化来判断气温的变化。“睹瓶中之冰而知天下之寒。”“见瓶中之水而知天下之寒暑。”寒与不寒人体当然能够感觉出来周围的景物也可以做参考但专门设置一铜瓶进行测温这在科学认识论和方法论上是前进了一大步反映了我国先民可贵的实验精神。汉代人们测量燥湿变化的方法也是相当科学的即是把炭和羽毛或其他物质放在天平的两端经过一段时间后视其两端的起伏就能判断燥湿。《淮南子》云:“悬羽与炭而知燥湿之气。”“燥故炭轻湿故炭重。”这是利用炭与羽的不同的吸湿性来制成最原始的湿度计。《史记天官书》有类似的记载:“冬至短极悬土炭。”裴骃《集解》引孟康曰:“先冬至三日悬土炭于衡两端轻重适均冬至日阳气至则炭重夏至日阴气至则土重。”又引晋灼曰:“蔡邕《律历记》:‘候钟律权土炭冬至阳气应黄钟通土炭轻而衡仰夏至阴气应蕤宾通土炭重而衡低。进退先后五日之中。’”《艺文类聚天部》下引。  《黄帝内经素问五运行大论》。  《淮南子说山训》。  《淮南子兵略训》。  《淮南子说林训》。  《淮南子天文训》。  前者是把土与炭放于衡之两端后者则把土炭合放一端另一端为砝码。古代测定燥湿的方法有多种王充在《论衡》中记述了另一种判断燥湿的方法:“天且雨蝼蚁徙蚯蚓出琴弦缓。”其中琴弦缓属于人们可以测量的物理现象据此可以预报晴雨天气。王充还对寒温的传播做了研究指出:“夫近水则寒近火则温远之渐微。何则?气之所加远近有差也。”这实际上是从“气”的角度探讨热的传导的问题明确指出热是靠气来传导的愈远热在传导中损失就越大因而渐微。  《论衡变动》。  《论衡寒温》。  声学知识秦汉时期声学得到进一步的发展。一方面是乐器的种类增多不仅编钟和编磬每组增加至三十余架而且还出现了笛、阮、箜篌等新的乐器。另一方面是音律学的实践和理论探讨有所前进开始对十二律的旋宫难题进行研究。十二律和六十律秦相吕不韦(?前)所组织编写的《吕氏春秋》记述了十二律的律名:黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射、应钟。其生律法是三分损益法即从黄钟起隔八相生:“黄钟生林钟林钟生太簇太簇生南吕南吕生姑洗姑洗生应钟应钟生蕤宾蕤宾生大吕大吕生夷则夷则生夹钟夹钟生无射无射生仲吕。”但是这种用三分损益法生律生到第十二律后不能回到出发律上亦即不能旋相为宫。为解决这个问题西汉京房(前前)提出六十律制。即从黄钟起生到第十二律仲吕后继续往下生律直到六十律“南事”为止。《后汉书》载:“六十律相生之法:以上生下皆三生二以下生上皆三生四。阳下生阴阴上生阳终于中吕而十二律毕矣。中吕上生执始执始下生去灭上下相生终于南事六十律毕矣。”事实上当京房用三分损益法生律到第律时就与出发律很相近只差一个微小的音差(音分值)按说此时就可以旋宫转调。可是京房把律数与历数统一起来就一直生到六十律即把六十律中的每一律代表一天至八天使六十律正合一年三百六十六天。京房这种生律法虽较烦琐在演奏实践和乐器制造方面都有困难但生律法本身则是一个有创见的尝试它通过继续生律的办法来找到微小音差以实现旋宫的目的具有一定的科学性。  京房还认为“竹声不可以度调”即认为律管不能用以定律。因为律管的口径和管长都须经校正而管口校正则是一个相当困难的事。因此京房特地“造准以定数”即用弦来定律。《后汉书律历志》上对京房准做了介绍:“准之状如瑟长丈而十三弦隐间九尺以应黄钟之律九寸中央一弦下有画分寸以为六十律清浊之节。”  年长沙马王堆一号汉墓出土了西汉景帝前元七年(公元前年)  的一组律管共十二支最长为厘米最短为厘米孔径约厘米。这组律管的出土对于探讨我国古代以管定律提供了重要的参考资料。从文献资料来看秦汉时代已有用管定律的内容。《汉书律历志》孟康注:黄钟空围九分林钟空围六分太簇空围八分。说明不仅律管的长度不同而且内径也各不相同。显然已经过管口校正。共振共鸣《吕氏春秋音律》。  《后汉书律历志》上。  《长沙马王堆一号汉墓》第页文物出版社年版。  秦汉时期人们对于共鸣现象也作了进一步的研究。《庄子》中说:“为之调瑟废一于堂废一于室鼓宫宫动鼓角角动音律同矣。夫或改调一弦于五音无当也鼓之二十五弦皆动。”《淮南子》也做了类似的论述说是“同音之相应”。用“音律同”或“同音之相应”很容易给人以错觉认为它是“自鸣”。董仲舒对此做了批驳。他说:“琴瑟报弹其宫他宫自鸣而应之此物之以类动者也。其动以声而无形人不见其动之形则谓之自鸣也又相动无形则谓之自然。其实非自然也有使之然者矣。”他指出这种鼓宫宫动、鼓角角动的现象是由于“物之以类动者”“实非自然也”。董仲舒的看法是正确的因为弦线不会自鸣不会自振动它必须是在周期性变化的外力的作用下当外力的振动频率与弦线的固有频率很接近或相等时才会引起共振共鸣。  《庄子徐无鬼》。  《淮南子齐俗训》。  董仲舒:《春秋繁露同类相动》。  光学知识关于目视物问题东汉王符所撰《潜夫论》中说:“中阱深室幽黑无见及设盛烛则百物彰矣。此则火之耀也非目之光也而目假之则为已明矣。”这是说目能视物是由于借物之光若没有外光目即“无见”。此同先秦时期墨家学派关于“目以火见”的见解是相一致的。《潜夫论》又说:“偶烛之施明于幽室也前烛即尽照之矣后烛入而益明此非前烛昧而后烛彰也乃二者相因而成大光。”这是关于两个光源照度叠加的论述。关于平面镜组合成像的实验《淮南万毕术》云:“高悬大镜坐见四邻。”注:“取大镜高悬置水盆于其下则见四邻矣。”此种平面镜组合的实验装置可以克服障碍扩大视野其原理与后世之潜望镜相合。凹面镜与透镜先秦时期已有用金属凹面镜取火。《周礼、秋官》载:“司烜氏掌以夫燧取明火于日以鉴取明水于月。”《礼记》载:“金燧。”《考工记》载:“金有六齐金锡半谓之鉴燧之齐。”这里的燧都是指阳燧即金属凹面镜。《淮南子》云:“阳燧见日则燃而为火。”又云:“若以燧取火疏之则弗得数之则弗中正在疏数之间。”此处“疏数之间”指的是阳燧的焦距说明当时就有焦距概念这是中国古代光学中的一大进步。秦汉时代有没有用透镜取火?这是个长期争论的问题。《管子》中提到:珠能取火。“珠者阴之阳也故胜火。”《论衡》说:“阳燧取火于天。五月丙午日中之时消炼五石铸以为器磨砺生光仰以向日则火来至。”此处的阳燧仍为凹面镜但消炼五石所制之器则可能是透镜。《淮南万毕术》中记载了冰透镜取火:“削冰令圆举以向日以艾承其影则火生。”这是我国关于冰透镜取火的最早记载。透光镜《潜夫论赞学》。  《潜夫论释难》。  《周礼秋官司烜氏》。  《礼记内则》。  《周礼考工记》。  《淮南子天文训》。  《淮南子说林训》。  《管子侈靡》。  《论衡率性》。《论衡乱龙》也有关似记载。  上海博物馆珍藏有一面西汉时的“透光镜”。此镜为铜制背面铭文有“见日之光天下大明”八个字正面光可照人。但若把它对日反射日光则背面花纹文字悉映于墙壁上故被称为“透光镜”。隋唐之际王度的《古镜记》说有一镜“承日照之则背上文画墨入影内纤毫无失”即指此种透光镜。为何铜质之镜能“透光”?奥妙在造镜技术上。唐宋以下探索此技术者代不乏人。宋沈括认为“铸时薄处先冷唯背文差厚后冷而铜缩多文虽在背而鉴面隐然有迹所以于光中现。”这就是说因铸造时厚薄不同因而冷缩的先后有差别从而使镜面产生细小的曲率差异反射日光时就会把背面文画映出来。元代吾丘衍在《闲居集》中说:“如镜背铸作盘龙亦于镜面窍刻作龙如背所状复以稍浊之铜填补铸入削平镜面加铅其上向日射影光随其铜之清浊分明暗也。”这种补铸的办法的确也能制出“透光镜”来。还有的认为是压磨所致即在磨镜面时薄处因弹性作用磨得少呈稍凸厚处受力大磨得多呈微凹结果就能在日光下反映出背部花纹。事实上上述三种办法都能制成“透光镜”。  《梦溪笔谈器用》。  电和磁的知识电雷电风雨是最普遍的自然现象。从远古时代起人们就注意观察雷电现象留下了不少记载。如“雷风相薄”、“雷雨作而百果草木皆甲坼”、“雷不发而震”、“雷电击夷伯之庙”、“三月癸酉大雨震电。震雷也电霆也”等等。人们震慑于雷电但也试图对其起因及性质进行探索。秦汉时期的典籍中对此屡有论述。如“阴阳相薄为雷激扬为电。”“盛夏之时太阳用事阴气乘之。阴阳分争则相校轸校轸则激射。”这是用阴阳观点来解释雷电产生的原因。此种观点在中国流行了二千多年。  史载车师后王姑句家“矛端生火”这可能指的是尖端放电现象。磁石汉代人们也已发现摩擦起电的现象并把此种现象同磁石的吸铁性联系在一起。如“顿牟掇芥磁石引针。”顿牟即玳瑁其甲壳经摩擦后会产生静电可以吸引芥一类的轻小物体。至于磁石吸铁性早在先秦时期就有所认识。只是汉代人们又有新的发现即磁石不能吸引铁以外的物体。如《淮南子》云:“若慈石之能连铁也而求其引瓦则难矣。”又云:“慈石能引铁及其于铜则不行也。”显然这些知识是在科学实验的基础上获得的。汉代人们还做了磁石本身相互吸引、排斥的有趣实验。如《淮南万毕术》云:“磁石拒棋。”注:“取鸡血与针磨捣之以和磁石用涂棋头曝干之置局上即相拒不休。”棋头涂以磁石便赋磁性。相拒不休即是磁石的同性相斥、异性相吸现象。  秦始皇时代还利用磁石的吸铁性建造阿房宫的北阙门为的是使“怀刃者止之”。  磁石的指极性在先秦时期也已被发现并用来做成磁性指向器司南。关于司南的形制王充在《论衡》中说:“司南之杓投之于地其柢指南。”据近人王振铎的研究司南是用天然磁石琢磨成的勺状物底部呈球形放在地盘上可自由旋转旋定其柄指南。“投之于地”的“地”字指的是古代栻占用的地盘。地盘呈正方形为铜制或漆木制四周标有八干、十二支和四维合为二十四向。中间天盘呈圆形作投转司南之用。整个地盘是采天圆地方之制。这种司南可以看成是后世指南针的前身。《易说卦》。  《易解》。  《左传》昭公四年。  《公羊传》僖公十五年。  《烜榖梁传》隐公九年。  《淮南子墬形训》。  《论衡雷虚》。  《汉书西域传》下。  《论衡乱龙》。  《淮南子览冥训》。  《淮南子说山训》。  《史记秦始皇本纪》注引《三辅旧事》。  《论衡是应》。    王振铎:《司南指南针与罗经盘中国古代有关静磁学知识之发现及发明》上《中国考古学报》第三册年。  PAGE

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