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中国古代趣味物理实验十摘粟新华 唐玉喜（邵阳学院 湖南 邵阳 422000）摘 要 该文从中国若干典籍中采撷了十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关键词 古代，物理， 趣味实验中图分类号：o4 文献标识码：ETen items of interesting Physics Experiment in ancient ChinaSU Xin-hua TANG Yu-xi（Shaoyang College, Shaoyang, Hunan 422000）Abstract: In this paper, ten items of physicsExperiment are selected from ancient References in China These experiments were designed very well and could still be used for demonstration in class now The material in this paper will be Helpful to investigate the history of Physics experiment in chinaKey words: ancient, physics, interesting experiment1 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”1 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，在一个壶中开一个大孔，在另一个壶中开五个小孔，五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：开有五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，这就是五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上同类流体力学实验中最早的一个 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），转柄套入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筒中全部抽出后，飞翼在空气的反作用力的推动下飞向高空“竹蜻蜓”这种玩具，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，以杀百禽，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 燧尊吐酒渊鉴类函载，晋代孙绰（公元年年）有一个阳燧尊，该尊以瓷制成“详观兹器，妙巧奇绝酌焉，则注受满，则吐泻，是会未见其竭” 这一酒尊太神奇了：当你向尊内注酒时，只要不是装得太满，酒一滴也不会流出来；但如果装酒超过其限度，哪怕只要多一点点，酒就会从杯子里面流出来，直至流完为止这种器具常用来告诫人们不要贪酒好杯，做人要“兴之无若，施而有节”上述酒尊，有人称它为 “酒龙杯”“劝世杯”或“公道杯”，今天有人也称“魔杯”人们一直认为，它是北宋程某研制出来的从上述记录来看，这一说法并不正确魔杯虽神奇，但构造却十分简单：只要在尊中安一虹吸管（渴乌），使管的一端通向尊底或尊侧即可因魔杯失传已久，人们很难猜透其原理新中国建立以后，江西景德镇研制瓷器的科技人员才根据古籍记载重新研制出这种酒尊，并在国外展销会上引起轰动魔杯的工作原理是：向尊中注酒，使尊内液面略低于虹吸管的顶部，此时，虹吸管管内液面与尊中液面处在同一高度，其压强均为一个大气压，水不会从虹吸管流出；当尊内液面高于虹吸管的顶部时，虹吸管管中液面低于尊内液面，虹吸管通向尊外的一端压强变小，酒通过虹吸管流向尊外，直至尊内液面与虹吸管其中一端平齐为止魔杯再次研究成功后，其装置立即被有关教师作为演示实验仪器使用我们在可乐瓶中装上虹吸管，外面用纸壳包住，并在纸壳上书一“酒”字，演示时用纸壳将可乐瓶罩住，演示后抽开纸壳，展示魔杯结构实验名叫“宝瓶献酒”效果相当不错4 挥箸击瓯张英、王土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、邢瓯共十二个，根据乐音需要临时在瓯中倒入适量的水，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茶余饭后，便挥箸击瓯，何尝不是一件乐事，宋代何薳在春渚记闻卷第八说：“宋柳恽尝赋诗未就，以笔捶琴，客有以箸和之”如果在讲解“声现象”时，教师把这个实验搬上讲台，用以解释声音的产生，说明声音高低跟振动快慢的关系，那么，教师在传授知识时，还会也给学生以美的感受 欹器盛水据孔子家语记载，孔子在鲁桓公庙见到一种欹器，他不认识，便请教看庙人，看庙人说：“这是放在座位右边，用来告诫自己的器具”孔子于是叫儿子伯游拿水试验，实验结果如荀子所说：“虚则欹，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，能自动倾倒让水入瓶，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，瓶会将水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欹器这一古老器具，若将其悬挂在支架上搬上讲台，就象古人在宴席上进行演示的那样，那么这一器具就会再现光彩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.” 7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国家标准.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，管内轻灰被振成小堆一小堆的，同时会使人听到从管口传来的共鸣声.若新管不符合国家标准，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.” 8 “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.现物理教学中，声音在空气中的传播速度是一重要常数，测定这一常数的实验有共鸣管法.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. 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” 9“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 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档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“水面浮钱”作为演示实验虽然可见度很小，但它简单、适用、有趣，至今仍有不少教师将其作为演示实验在课堂演示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” 10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”应不是江湖骗术那么，“掬草飞蛾”究竟是怎么回事呢 ？窃以为，这可能是两带电体同性相斥的现象“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磨擦带电现象，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”但对经过摩擦后的两个带电体相互排斥的现象，直到1733年才由法国人德雨费所发现，如果“掬草飞蛾”是先使马草带上同种电荷，然后让它们相互排斥的话，那么，这一实验就比德雨费的发现早得多此外，清卢若腾在岛居随录中提到：“痉龟板与枣根，可以召雷”这也可能是一个磨擦起电实验即将干燥的龟板、枣根分别与其他材料磨擦后，它们会带上不同电荷，若使它们相互接近，就会产生火花，同时会听到“噼啪”的放电声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” 11黄履庄七八岁就能锥凿木人在桌上自动行动走，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，使人很难参透其中奥秘关于器中喷泉，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，当水源位置高于水器时，水通过连通管从水器喷出，水源位置越高，水压越大，喷水越高水源越充足，喷水时间越长气压法是通过改变喷泉装置内的空气压强来实现的 在两个未装满水的密封容器中各竖直插入一根直管，直管一端没入水中，另一端露在器外两直管露在器外的那一端，一根做成喷嘴型，一根接一漏斗另用一根弯管，两端分别插入两容器中，使两容器空气连通此时，向漏斗中注水，喷嘴管顶端就会有水喷出因为在漏斗中注水后，水进入连接漏斗的容器，该容器中的水位上升，使两容器中空气压力增大，这个压力迫使连接喷水管的容器中的水从喷嘴喷出喷水高度取决于两瓶中气压的大小，喷水时间的长短则决定于两个容器中水的多少若将该装置的漏斗和喷嘴置于另一水器中，在水器中装上假山，植以花草树木，让喷嘴藏在假山中，该水器就显得非常美丽黄履庄制作的水器，尽管喷水超过了一个时辰，喷水时间也不算长，很可能属于上述气压法喷泉装置但并不排除他所做的是一个自动循环喷泉，因为只要将上述装置稍作改进，就能做成自动循环喷泉凭着王履庄制做诸器的智慧与技巧，做一个自动循环喷泉应是相当容易的事情喷泉实验应用广泛，在物理游艺会上，这种装置常常使用我在物理活动课中，见到有人演示这个实验，并美其名曰：“喷泉谢客”或“喷泉迎宾”这种融知识性、趣味性为一体的实验，学生特别欢迎 参考文献 清谷应泰明史纪事本末河决之患卷三十四M北京：中华书局，1977504 晋葛弘抱朴子内篇杂应卷第五上海：世界书局，193570 晋张华博物志卷八北京：中华书局，198531 清张英、王士祯渊鉴类函卷第三百八十四器物部尊北京：中国书店，1985(无页号) 清张英、王士祯渊鉴类函卷三百三十一巧艺部杂技北京：中国书店，1985(无页号) 王森泽注：荀子二十八宥坐北京：中国书店，1992344 清张英、王士祯渊鉴类函卷第三百五十七产业部百工北京：中国书店 1985(无页号)7 唐 韩鄂.岁华纪丽，卷第一春M北京：中华书局，1985.58 宋 范晔后汉书志第一律历上M北京：团结出版社，1996.899 唐段成式酉阳杂俎续集卷之四贬误北京：中华书局，198123810 宋李昉等太平广记第一册卷第八十方士五哈尔滨：黑龙江人民出版社，199948711 清徐珂清稗类钞第五册工艺类北京：中华书局，19842358- 5 -