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1、第一章 中国古代物理学,一.中国古代的物质观二.中国古代的力学知识三.中国古代的热学知识四.中国古代的光学知识五.中国古代的电磁学知识六.中国古代的声学知识七.中国古代物理学的特点,概况,在古代，无论是古希腊还是中国，都谈不上有“物理学”。当时人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法，也不可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括，使之成为完整的知识体系。但这一阶段仍是物理学形成和发展的先导和渊源。是物理学发展的孕育和萌芽时期。但我们可以通过早期人类的遗迹中看到人类为了生存，在获取生活和生产资料的过程中，在与大自然的各种斗争中，不断认识自然，改造自然，从而孕育和形成了早期的物理知识和物理思想
2、。,中国古代物理思想的特点：1.发源于当时生产工艺的实践过程中2.以朴素的直观观察为依据，思辨色彩浓烈3.没有集中的专门著作，散见于有关古籍之中,中国古代物理学形成和发展的阶段：在中国，自夏、商、西周起，随着手工技术的发展，物理知识开始积累。春秋战国时期科学技术蓬勃发展，中国古代物理学开始形成；秦汉时期，形成一个发展高峰；宋元时期达到鼎盛。至此，在西方近代科学诞生之前，中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位。明末至清初以后，科学和科学技术的发展逐渐落后于西方，这一时期，西方物理知识开始向中国输入。,关于物质的构成，自然界的各种自然现象的形成与变化，中国古代有多种说法，典型的说法如“五行说”，
3、“阴阳说”，“元气说”。,“五行说”这一学说始于夏朝，流行于商朝，到了西周发展为“五行元素说”。西周末年，太史官史伯在总结前人思想以后说：“夫和实物，同则不继，以他平他谓之和，故能丰长而物生之，若以同裨同，乃尽弃矣。故先王以土与金、木、水、火杂以成百物”。（国语郑语。）这里已十分明确的把水、火、木、金、土五种基本物质当成组成世界万物的原始材料。更加清楚地表明中国古代原始五行说，实际上就是最早的关于物质组成的假说。它不仅具有朴素的元素概念，并具有物质相互转化的观念。,一.中国古代的物质观,五行思想 五行：金、木、水、火、土五种基本物质或元素。“水曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑。”（尚书洪范
4、）构成：世界万物皆由上述五种元素构成。“以土与金、木、火、水杂，以成百物”（国语郑语）。相互关系：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。,意义：五行依一定的相生次序而相生；又依一定的相克次序而相征服。这种关系深刻地揭示了组成世界的五种基本物质元素在相互转化的复杂变换过程中，生成和消失的速率是受控的，在量上是互补的，因而元素的种类和总量不增不减，物质守恒。,2.阴阳学说 阴阳是中国古代哲学的一对范畴。阴阳的最初涵义是表示阳光的向背，向日为阳，背日为阴。后来，又给它赋予了一定的意义，把自然界和社会上一切对立的现象抽象为阴阳，用阴阳概念来解释自然
5、界两种对立和相互消长的物质势力，用来解释天文气象、四季变化、万物兴衰等自然现象。如气候的寒暖，方位的上下、左右、内外，运动状态的躁动和宁静，以及天地、男女、昼夜、君臣、夫妻等。阳代表积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、太阳等阳性和具有这些特征的事物；阴代表消极、退让、柔弱、下降、寒冷、晦暗、雌性、月亮等阴性和具有这些特征的事物。,认为：阴阳的对立统一运动，是自然界一切事物发生、发展、变化及消亡的根本原因。是自然界一切事物运动变化的固有规律。阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律。,阴阳学说的基本内容包括阴阳对立、阴阳互根、阴阳消长和阴阳转化四个方面。,“阴阳有序、整体和谐”是世间的最佳状态，也
6、是事物稳定的基本保证。,周易以阴阳的范畴为基础，说明天地变化及各种现象：“易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦”（易经系辞上）。意思是：宇宙的的本原是太极（物质的原始状态），太极生出天地（阴阳），天地生出四时（春、夏、秋、冬），再生出八卦（天、地、山、泽、水、火、风、雷）。,白纸称为无极，画上一个圆圈，称为无极生太极（宇宙），中间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，中间的曲线表示了阴阳的相互运动和相互转化。黑白两个半球中各有一个与之颜色相反的小圆圈，称为阴阳子，表示阴中有阳，阳中有阴。,四象和阴阳的组合再生八卦：乾、坤、震、撰、坎、离、艮（gn）、兑。,八卦则是其形式化和符号化：为
7、阴，为阳，分别称作阴爻（yo)和阳爻，阴爻和阳爻的组合构成四象：,22,23,“阴阳八卦”说 这一学说起源于殷周之际，实际上也是一种原始的元素论。它从人们生活经常接触的自然界中选取了八种东西作为说明世界上其他多种东西的根源。,所谓八卦，即用八种符号来表示八种自然现象，而这八卦是由阳爻（音挑yao）用“”表示和阴爻用“-”表示，阳爻和阴爻排列为八卦，再由八卦排列为卦。八卦分别是乾、坤、震、巽（xun）、坎、离、艮、兑等，它们分别表示天、地、雷、风、水、火、山、泽。世界就是在阴阳两种对抗物质势力运动推动下孳生着，发展着。这是一种十分朴素的万物生成的唯物主义观念。,1.概述：中国古代的哲人们期望着将
8、世界万物本源归结为一种统一的物质，认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成，而不像“五形说”是各种元素的组合。在“道”和“太极”的思想指导下，逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说”。春秋战国时期，老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气，进而产生万物。庄子继承和发扬老子的学说，提出“通天下一气”的思想。战国末期的荀（xn）况也指出气是构成万物的基本元素。元气说在春秋战国时期出现，在汉代逐渐成熟，经过唐、宋得到相当大的发展，明末清初达到高峰。由汉代的王充、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表，形成了“元气自然论”；由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论”。,二
9、 元气说,“元气说”的主要思想,气是充满整个宇宙 客观存在的物质，是万物本原。王充在论衡中说：“天地，含气之自然也。”论衡 谈天，“天地合气，万物自生”论衡 自然。王充（27-约97）：东汉时期的唯物主义哲学家和进步思想家，创立了以气为基础的元气自然论。主要著作有论衡，共30卷，85篇，涉及力学、声学、光学、热学、电磁学等多方面的知识，是我国中古时期的一部百科全书。,气有聚散两态，太虚为气，气形转化 张载（10201077，宋）：“太虚者，气之体形聚为物，形溃反原”正蒙 乾称 王夫之（16191692，明末清初)：“虚空者，气之量，气弥沦无崖而希微不形，则人见虚空而不见气。凡虚空者，气也。聚则
10、显，显则人谓之有；散则隐，隐则人谓之无。”张子正蒙注太和。,气分阴阳，永远处于运动变化之中物质不灭思想 王夫之张子正蒙注太和：气“散而归于太虚，复其氤氲之本体，非消灭也。聚而为庶物之生，自氤氲之常性，非幻成也”“聚散变化，而气本体不为之损益。”；“车薪之火，一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木，水者仍归水，土者仍归土，特希微而人不见者。”；“一甑（zeng）之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归；若盖严密，则郁而不散。”,元气学说注重物质连续与不连续的相互统一，强调事物间的相互联系和相互转化。符合自然界的真实变化，与自然本性更接近。但元气说终究是一种思辩理论，没有实验、数学等科学方法的配合，长
11、期停留在推测、玄想阶段，致使中国没有走上诞生近代科学的道路。,二.中国古代的力学知识,力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理，这在东西方古代都是如此。我国古代，手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多，这是中国古代对力学研究的主要特点。,1.物理计量：时间计量、度量衡2.时间、空间、运动：空间和时间 运动与静止 运动的相对性3.对力的认识：4.力学知识的应用,一 力 学时间计量 a.干支纪法：春秋时鲁隐公三年（前722）二月己巳日至清宣统年（1911）。“干支”是“天干”和“地支”的合称。天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸
12、。地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥。组成“六十干支”：甲子、乙丑、癸酉、甲戊、乙亥癸亥。共60个组合，也称“六十甲子”，周而复始，不断循环。寅1月虎、卯2月兔、辰3月龙、巳4月蛇、午5月马、未6月羊、申7月猴、酉8月鸡、戌9月狗、亥10月猪、子11月鼠、丑12月牛 b.十二时辰记时法：子时：231时，丑时：13时，,亥时：2123时。c.百刻时制（漏壶记时制）：采用日晷或漏壶将一昼夜分为十时，一时分为十刻。刻为漏壶的基本记时单位，在竹或木制的箭上100个等分刻度，其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高度。1刻等于现在的14.4分钟。d.机械记时：东汉时期张衡117年发明浑天
13、仪，用于测定天体位置，一天转一周。后经唐宋发展，成为世界上最早的天文钟。,星晷,月晷,圭表,日晷,漏壶：漏壶有两种形式：泻水型和受水型。我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶，只有一把挈壶，出水口在壶底侧。由于挈壶里水位不同时出水速度不同，后来又发展出受水型。并逐渐由最初的两壶发展成多壶。右图为根据唐朝吕才历象汇编历法典99卷刻漏图制作的四级漏壶。浮漏：宋代沈括在多级漏壶的基础上发明了浮漏，每昼夜误差小于20秒。宋代燕肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法，精度提高到14.4秒；宋代赵友钦则将精度提高6秒。,度量衡：度-长度 量-容量 衡-重量,长度,蔡锷：奈何七尺之躯已许国家，难以许卿,七尺男儿有多
14、高？,关云长身高八尺？,关羽有多高？,古代的几个规定：孔子家语记载：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”即：从中指的指端到第一横纹叫一寸，拇指和中指一扎为一尺，两臂伸开长八尺，叫一寻。孙子算经：“度之所起，起与忽。蚕吐丝为忽。十忽为一丝，十丝为一毫，十毫为一厘，十厘为一分。”,汉书律历志详细记载：长度单位：引、丈、尺、寸、分，十进制；,汉书律历志记载：“度本起黄钟之长。九十分黄钟之长，一为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引”。,殷商时的一尺，大概是15.8cm战国、秦、西汉、新莽时大概是23.1 cm东汉的一尺有23.75 cm东汉末、三国、西晋的时候，一尺为 24.2 cm东晋、五胡十
15、六国、南朝一尺等于现在 24.5 cm北朝、隋时为 29.6 cm唐分大小尺，小尺为30 cm，大尺为36 cm宋、元一尺为31.2 cm明：裁衣时一尺为 34cm，量地时一尺32.7cm，营造时一尺32cm清：裁衣时为 35.5 cm，量地时为34.5 cm，营造时为32cm,七尺之躯大概1.6米,关羽大概1.9米,容量单位：斛（h)、斗、升、合、龠（yu），十进制。,另外：一手所盛为“溢”,二手合盛为“掬”,“掬四谓之豆”,秦：1斛=10斗,1斗=10升，1升（194 毫升）汉：1斛=10斗,1斗=10升,1升（342/192毫升）=10合，1合=2龠,1龠=5撮,1撮=4圭三国两晋：1斛
16、=10斗,1斗=10升,1升（202毫升）=10合南北朝：1斛=10斗,1斗=10升,1升=10合隋：1斛=10斗,1斗=10升,1升(594/198毫升)=10合唐：1斛=10斗,1斗=10升,1升(594毫升)=10合 宋：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升 1升(664毫升)=10合 元：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升 1升（949毫升）=10合 明：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升 1升（1074毫升）=10合 清：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升 1升（1036毫升）=10合,陶渊明不为五斗米折腰，五斗米是多少？,容量中国古代有很多与容量有关的词语，如升斗小民,重量单
17、位：石、钧、斤、两、锱、铢，非十进制。,秦：1石=4钧,1钧=30斤,1斤（253克）=16两,1两=24铢汉：1石=4钧,1钧=30斤,1斤（248/220克）=16两,1两=24铢两晋：1石=4钧,1钧=30斤,1斤（220克）=16两,1两=24铢南北朝：1石=4钧,1钧=30斤,1斤（南齐330，梁陈220克，北魏齐440 克，北周660）=16两,1两=24铢隋：1石=4钧,1钧=30斤,1斤（661/220克）=16两,1两=24铢唐：1石=4钧,1钧=30斤,1斤（661克）=16两,1两=10钱,1钱=10分宋：1石=120斤,1斤（633克）=16两,1两=10钱,1钱=10
18、分元：1石=120斤,1斤（633克）=16两,1两=10钱,1钱=10分明：1石=120斤,1斤（590克）=16两,1两=10钱,1钱=10分清：1石=120斤,1斤（590克）=16两,1两=10钱,1钱=10分,锱铢必较？,1两=4锱,关云长青龙偃月刀82斤到底有多重？,中国古代有很多和重量有关的成语，要弄清意思，需要知道重量的定义,千钧一发,重量,2.时间、空间和运动时间与空间上下四方曰宇，往古今来曰宙尸子久，弥异时也。宇，弥异所也经上 时间和空间的连续性有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也运动的相对性吕氏春秋：“刻舟求剑”故事；隋书天文志：“仰游云以观，日月常动而云不移”。抱
19、朴子塞难：“见游云西行，而谓月之东驰”。春秋纬元命苞（汉代）：“天左旋，地右动”。春秋纬考灵曜（yo）“地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭牖（yu）而坐，舟行而人不觉”。比伽利略（1564-1642）相对性原理早一千多年。,3 对力的认识（1）力的概念 墨径：“力，刑之所以奋也”，这里刑即形，指物，奋即飞，动的意思。王充论衡效力篇：“人有知学，则有力矣。文吏以理事为力，而儒 生以学问为力”，“举重拔坚，壮士之力也”，“故 夫垦草殖谷，农夫之力也”（东汉）。西方，17世纪初弗兰西斯培根提出：“知识就是力量”。,（3）杠杆原理 墨径中对不等臂天平的论述：“衡，加重于其一旁，必捶，权、重相若也
20、。相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下，标得权也。”,（2）外力与内力 王充论衡：“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。”,（4）浮力：曹冲称象等。（5）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄127-200）。（6）大气压力 西汉时期已利用虹吸管-渴乌，东汉时已广泛用于灌溉，唐朝已有隔山取水的大型引水工程。关尹子：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则水不降。”唐代王冰素问：“虚管灌满，捻上悬之，水固不泻，；空瓶小口，顿灌不入，为气不出而不能入也。”（7）惯性：春秋战国时期的考工记中描述：“马力既竭，轴犹能一取焉”,4 力学知识应用古代建筑学上力学的应用：如
21、隋代李春建造的赵周桥，是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥，距今已1300年；公元1056年建造的辽代山西应县木塔，是世界上现存的最高的古代木构建筑，高67.31米，经受近一个世纪的风雪袭击，12次六级以上地震，至今安然屹立。宋代建筑师喻皓曾在开封建“开宝寺塔”斜塔：“塔初成，望之不正，而势倾西北。人怪而问之。皓曰：京师地平无山，而多西北风，吹之不百年当正也。”归田录。明代的北京故宫群等等。尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓（du 舂米用具）、水排鼓风机（公元31年东汉南阳太守杜诗发明）、被中香炉、记里鼓车、水运浑象仪等。,被中香炉,被中香炉是中国古代盛香料熏被褥的球形
22、小炉。它的球形外壳和位于中心的半球形炉体之间有两层或三层同心圆环。炉体、内环、外环和外壳内壁的支承轴线依次互相垂直。炉体由于重力作用，不论球如何滚转，炉口总是保持水平状态。,水 碓,总的来说，我国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分，但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视，致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力，科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失，缺乏系统整理，一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩（如“气”、“道”、“理”），缺乏数学的定量引用和系统实验的基础，因此经典力学理论只能
23、等待西方传入。,三.中国古代的热学知识我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少，还有待于进一步发掘。,对冷热的认识 约在公元前2000年，我国已有气温反常的记载，在两周初期，人们开始掌握降温术和高温术。据周礼记载，当时已设专人司贮冰事，冬季凿冰加以贮藏，到春、夏季用来降温。我国冶炼业的发展较早，高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁，经科学分析，它是一块生铁，生铁的冶炼温度比熟铁高，需达摄氏千度以上。生铁的出土，说明在那时的高温技术已达到一定水平。,火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古人对热
24、现象认识的开端。我国山西省芮城西侯度旧石器的遗址，说明大约180万年前人类已经开始使用火。,温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据考工记记载，在铸铜与锡时，随温度的升高，火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色，然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。“火候”（包括火色）成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。,对冷热问题，东汉王充还曾从理论上加以探讨，在他的著作论衡寒温篇中写道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”他把“气”作为物体之间进行“温”“寒”传递的物质承担者，还指出距离变远，“气”
25、的作用渐小。这里已涉及热传递的理论问题，但它只是思辩性的，是我国“元气说”的一种应用。,热胀冷缩是重要的热现象之一，在我国古代对它已有所研究和利用。汉代淮南万毕术记述了这样一个现象：把盛水铜瓮加热，直到水沸腾时密闭其口，急沉人井中，铜瓮发出雷鸣般响声。这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂，破裂声由井内传出，这是一个典型的热胀冷缩现象。元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验，他把带孔的物体加热以后，使另一个物体进入孔洞，从而这两个物体如“辘轳旋转，无分毫缝罅”。他明确指出，这是前一物体“煮之胖胀”的缘故。,对热是什么这一问题，我国古代也已注意到，南北朝成书的关尹子中认为：“外物”的来去是使瓦石一
26、类物体发生寒热温凉之变的原因。而另一种说法见于据传可能为北齐刘昼著的刘子崇学篇，则从“五行”观念出发，猜想物体寒、热、温、凉的变化是一种“内物”在起作用。这种所谓的“外物”或“内物”都是把热设想为一种实体物质，它类似于18世纪“燃素”和“热素”的观念。,对水的物态变化，在我国古代也早有认识，例如对雨和雪形成的探讨，认为是由于“积水上腾”而造成。论衡中对此有明确的表述：“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”此文说明露、霜、雨、雪是因为不同的温度由水冻凝而成，它们都是水由地面蒸发而产生的。汉代以后的古籍中，对雨、露、雪、霜成因的讨论更多，说明
27、当时对物态变化的知识有了新的认识。汉代董仲舒从“气”的观念出发，解释雨、露、雪、霜成因的道理是：水受日光照射，蒸发成水汽，再在不同条件下形成雨、霰、雪等。从现在看来，这些分析也基本上是正确的。,我国古代，在生产和生活实践中，创制了利用热的各种器具。如宋代曾发明一种“省油灯”，在“灯盏一端作小窍，注清冷水于其中”，据说这种灯能“省油几半”。现在分析，文中所说加入冷水，目的是降低温度，避免油被灯火加热后急速蒸发，其中包含了对油的汽化和温度的关系的认识。,据淮南子记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞”。这是关于“热气球”的最早设想，也是空气受热上升的具体应用。五代时期，据说还利
28、用这一原理制成信号灯，所谓“孔明灯”也是应用了这一道理。,关于走马灯我国古代有较多记载，有的古籍把它称作“马骑灯”、“影灯”。宋代武林旧事在记述各种元宵彩灯时写道：“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞”，这表明当时已利用了冷热空气的对流制造出各种各样的走马灯。,在我国古代，很早就出现了对热动力的认识和利用，唐代出现了烟火玩物，“烟火起轮，走绒流星”。宋代制成了用火药的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龙出水”的火箭，这些都是利用燃烧时向后喷射产生反作用力使火箭前进的道理，属热动力的应用，它是近代火箭的始祖，被世界所公认。,四.中国古代的光学知识,我国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起
29、源于火的获得和光源的利用，以光学器具的 发明、制造及应用为前提条件。根据籍记载，我国古代对光的认识大多集中在光 的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。,(1)对光的直线传播的认识 早在春秋战国时墨经已记载了小孔成像的实验：“景，光之人，煦若射，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”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。,宋代，沈括在梦溪笔谈中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞 鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影
30、与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。,(2)对视觉和颜色的认识,视觉在墨经中已有记载：“目以火见”。已明确表示人眼依赖光照才能看见东西。稍 后 的吕氏春秋任数篇明确地指出：“目之见也借于昭”。礼记仲尼燕居中也记载：“譬如终夜有求于幽室之中，非烛何见?”东汉潜夫论中更进一步明确指出：“夫目之视，非能有光也，必因乎日月火炎而后光存焉”。以上记载均明确指出人眼能看到东西的 条件必须是光照，尤其值得注意的是认为：光不是从眼睛里发出来的，而是从日、月、火焰等光源产生的。这种对视觉的认识是朴素、明确、比较
31、深刻的。,(3)光的反射和反射镜的利用,我国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前 2000 年夏初的齐家文化时期已经出现。后 来随着技术的发展，古镜制作技术逐渐提高，应用范围逐扩大，种类也逐渐增多，出现了各 种平面镜、凹面镜和凸面镜，甚至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜”。,宋代科学家沈括在梦溪笔谈中对“透光镜”的原理进行了分析：“世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字，字极古，莫能读。以鉴承日光，则背文（纹）及二十字，皆透在屋壁上，了了分明。人有原其理，以谓铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多。文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。予观之，理诚如是。”,值得提出的是宋末元初的赵友钦(13
32、 世纪中叶至14世纪初叶)，在革象新书的“小罅光景”中，描写了一个大型光学实验，在地面下挖了两个圆阱，圆阱上可加放中心开有大小、形状不同孔的圆板盖。通过它 可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔(大小和形状)、光源(形状和强度)、像(形状 和亮度)、物距、像距之间的关系进行研究。将两块圆板上各插 1000 多支蜡烛，放在阱底或 桌 面上作为该实验的光源。通过实验确认了光直线进行的性质，定性地显示了像的明亮程度与 光源强度之间的关系，并涉及光的照度和成像理论。他所采用的大型实验方法很有特色，是我国历史上记载的规模最大的实验。,五.中国古代的电磁学知识,王充在论衡雷虚篇中写道：“云雨至则雷电击”
33、，明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中，关于雷电及其灾害的记述十分丰富，其中尤以明代张居正（15251582）关于球形闪电的记载最为精彩，他在细致入微的观察的基础上，详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时间等，留下了可靠而宝贵的文字资料。,(一)中国古代的电学知识,我国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“電”字。,在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因。淮南子坠形训认为，“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基
34、（13111375）说得更为明确：“雷者，天气之郁而激发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。,尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟，常常可导致尖端放电发生，因这一现象多有记述。如汉书西域记中就有“元始中（公元3年）矛端生火”，晋代搜神记中也有相同记述：“戟锋皆有火光，遥望如悬烛”。避雷针是尖端放电的具体应用，我国古代地采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金，高大建筑物的瓦饰制成动物形状且冲天装设，都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿，至今已有500多年历史，虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。金殿是一座全铜建筑，顶部设计十分精巧。除脊饰之外，曲率
35、均不太大，这样的脊饰就起到了避雷针作用。,我国古人还通过仔细观察，准确地记述了雷电对不同物质的作用。南齐书中有对雷击的详细记述：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也”。即强大的放电电流通过佛面的金属膜，全属被融化。而窗户为木制，仍保持原样。,沈括在梦溪笔谈中对类似现象叙述更为详尽：“内侍李舜举家，曾为暴雷所震。其堂之西室，雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢（刚），就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石。今乃金石皆铄，而草
36、木无一毁者，非人情所测也。”,在我国，摩擦起电现象的记述颇丰，其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在西汉，春秋纬中就载有“瑇瑁（玳瑁）吸衤若（细小物体）”。论衡中也有“顿牟掇芥”，这里的顿牟也是指玳瑁。三国时的虞翻，少年时曾听说“琥珀不取腐芥”。腐芥因含水分，已成为导体，所以不被带电琥珀吸引。,西晋张华（232300）记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象：“今人梳头，脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声”。唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑猫皮起电：“猫黑者，暗中逆循其毛，即若火星”。摩擦起电也有具体应用。据宋代的张邦基墨庄漫录记载：孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑（可制香料的有机化合物碎屑）“
37、皇宫中每幸诸阁，掷龙脑以辟（避）秽。过则以翠羽扫之，皆聚，无有遗者”。关于摩擦起电的记载还很多。,近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的，我国古代学者对电的研究，大大地丰富了人们对电的认识。,(二)中国古代对磁的认识,我国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如史记封禅书说汉武帝命方士栾大用磁石做成的棋子“自相触击”；而椎南万毕术（西汉刘安）还有“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上则相拒不休”的详细记载。南北朝（512518年）的水经注（郦道元）和另一本三辅黄图都有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门，“有隐甲怀刃人门”者就会被查出的记载。,
38、（1）磁石的吸铁性及其应用我国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4世纪左右成书的管子中就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁的最早记载。类似的记载，在其后的吕氏春秋中也可以找到：“慈石召铁，或引之也”。在东汉以前的古籍中，一直将磁写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。,晋书马隆传记载：相传3世纪时智勇双全的马隆在一次战役中，命士兵将大批磁石堆垒在一条狭窄的小路上。身穿铁甲的敌军个个都被磁石吸住，而马隆的兵将身穿犀甲，行动如常。敌军以为马隆的兵是神兵，故而大败。,古代，还常常将磁石用于医疗。史记中有用“五石散”内服治病的记载，磁石就是五石之一。晋代有用磁石吸出体内
39、铁针的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳内，口含铁块，因而治愈耳聋。,磁石只能吸铁，而不能吸金、银、铜等其他金属，也早为我国古人所知。淮南子中有“慈石能吸铁，及其于铜则不通矣”，“慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”。,（2）磁石的指向性及其应用在我国很早就发现了磁石的指向性，并制出了指向仪器 司南。鬼谷子中有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。稍后的韩非子中有“故先王立司南，以端朝夕”的记载。东汉王充在论衡中记有“司南之杓（勺子），投之于地（中央光滑的地盘），其柢（勺的长柄）指南”。,不言而喻，司南的指向性较差。北宋时曾公亮与丁度（9901053）编撰的武经总要（1044年）在前集卷十五
40、记载了指南鱼的使用及其制作方法，极为清晰地论述了热退磁现象的应用。当烧至通赤时，温度超过居里点，磁畴瓦解，这时成为顺磁体。再用水冷却，磁畴又重新恢复。这时鱼尾正对子位（北方），在地磁场作用下，磁畴排列具有方向性，因而被磁化。从司南到指南鱼，无疑是一个重大进步，但在使用上仍多有不便。,我国古籍中关于指南针的最早记载，始见于沈括的梦溪笔谈。该书介绍了指南针的四种用法：水法，用指南针穿过灯芯草而浮于水面；指法，将指南针搁在指甲上；碗法，将指南针放在碗沿；丝悬法，将独股蚕丝用蜡粘于针腰处，在无风处悬挂。磁针的制作，采用了人工磁化方法。正是由于指南针的出现，沈括最先发现了磁偏现象，“常微偏东，不全南也”
41、。,南宋时，陈元靓在事林广记中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑，对于指南仪器这是在结构上的一次较大改进，为将指南针用于航海提供了方便条件。,指南针用于航海的记录，最早见于宋代朱彧的萍洲可谈：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。以后，关于指南针的记载极丰。到了明代，遂有郑和下西洋，远洋航行到非洲东海岸之壮举。西方“关于指南针航海的记载，是在1207年英国纳肯（A.Neckam，11571217）的论器具中。,遗憾的是，中国古代关于磁的认识尽管极为丰富，但关于磁现象的本质及解释，往往又是含糊的，缺乏深入细致的研究。就连被称作“中国科学史上的坐标”的沈括，对磁现象也认为，“莫可
42、原其理”，“未深考耳”，致使在我国历史上，一直未能产生可与英国吉尔伯特论磁比美的著作。,六.中国古代的声学知识,在中国古代物理学中，声学的成就可以说是一技独秀，有特别加以记述的必要。,（1）乐器制作与乐律理论,中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖村的骨笛，是公元前5000前6000年新石器时代的遗物，这是迄今发现的世界上最早的乐器。,西周时期，见于诗经记载的乐器就有29种，其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃、（革兆）（摇鼓）等，调频弹拨乐器有琴、瑟，管类乐器有箫、管、埙、笙等。,1979年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前443年的编钟，一套共65件，总重2500余斤，总音
43、域跨五个八度，12个半音齐全，音色优美，效果极佳，充分显示了我国古代音乐、冶金和乐器制造水平之高超。,编种,古代乐器 新石器时代：陶埙（xn）和骨哨。诗经记载：有29种之多，包括各种弹琴、吹奏、打击等乐器。战国曾侯乙墓：出土的有：编钟、磬、笙、排萧等。,由于重视“礼、乐、术、数”，我国古代研究乐音数学规律的律学相当发达，二十四史有许多律历志的记载。最晚到殷商时期已产生了宫、商、角、徵、羽五声，西周编钟已刻有十二律（由于对乐音成组的认识，而产生十二律，其名称为：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射和应钟，黄钟为十二律中的第一律）中的一些铭文。以黄钟为标准音高之首，逐次
44、按半音降低，就形成了十二律。,最早的乐律计算法见于管子地员篇中的“三分损益法”，约产生于公元前73世纪间，即将主音律的弦（或管）长三等分，取其两份（全管长的2/3，为损一），或增加一份（全管长的4/3，为益一），依次确定十二律中其他各律的方法。这种以弦长为准的方法，与欧洲当时以频率为准的“五度相生法”是成倒数关系的。16世纪末，朱载堉提出了十二平均律的理论和算法。十二平均律是我国对音乐声学的重大贡献。,（2）声的传播与发声原理的探讨,据北魏郦道元水经注卷三十四江水记载：陈遵在造江陵金堤（公元512518）时，曾利用鼓声推算高地的高度，可能是利用鼓声的传播速度推算的。这一记载很有意义。,对于发声
45、原理，东汉王充在论衡论死篇中先说明人的语言是由于“气括口喉之中，动摇其舌，张合其口”而生的，然后推广到“箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人之动舌也”。,明宋应星具体考察了声的发生的几种情况：“冲”（“飞矢”），“界”（“跃鞭”），“振”（“弹弦”），“辟”（“裂缯”，即撕丝织品），“合”（鼓掌），“击”（挥椎）。他认为发声第一必须有气：“气而后有声”，“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自生”；第二必须是“以形破气”，“气之一动”，“急冲急破，其声方起”，例如“击物”就是“气随所持之物而逼及于所击之物有声焉”（论气气声）。,关于声音发生与传播更为深刻的见解是王充和宋应星指出的。
46、王充在论衡变虚篇中将鱼“动于水中，振旁侧之水”与人的“操行”（行动）引起“气应而变”加以对比。宋应星则明确提出“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。”（论气气声七）。他们明确指出：“气”被“冲”如同“水”被“激”，“荡气”与水的“文浪”相似，可从“一拳”依次“开”至“纵横寻（古8尺）丈”犹未止，只是“荡气”微小到听不见而已，这就是“气声”。对声波的发生与传播从物理上分析如此精辟，在我国古代物理学中是很突出的。,关于共鸣现象的趣闻：庄子调瑟时发现共振现象，沈括在弦共振时作纸人试验
47、，喷水鱼洗的研究等，文献记载相当丰富。,（3）古代建筑中的声学效应,利用声学效应的建筑在我国已发现不少。古典籍中关于空穴传声类的记载与建筑有关的也有“地听”、“墙听”（墨子备穴篇）等，用陶瓮口向内砌墙可以隔音，在琴室及戏台下埋大缸可增加混声回响效果。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应。还有河南郏县蛤蟆音塔，四川潼南县大佛寺的石琴等。,三音石和对话石回声示意图,回音壁传声示意图,山西永济县普救寺莺莺塔初建于隋唐，现存的塔重修于1564年明嘉靖年间，是一座方形空筒式十三层密檐式砖塔，高36.7米，建于陡坡的高处，周围空旷，整个塔身和塔檐由涂釉青砖建成，这些青砖的声反射
48、系数达0.950.98，是声音的良反射体。塔身成空筒形，对声波起着谐振腔作用。由于十三层塔檐各层砌砖所成曲线的巧妙配合，对来自塔前距离约24米处的击石声产生良好的反射及会聚作用，因而“于地击石，有声如吠蛙”。同样，远处的声音通过十三层塔檐反射就会聚在檐前附近，使人耳接收到的声波能量大增。五里外的蒲州镇的演唱声，犹如塔内有戏台。,我国古代建筑是利用声学效应的科学宝库，还有待于进一步发掘。上述成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合，这也是我国古代物理学发展的根本特点之一。,七.中国古代物理学的特点,中国古代物理学历史悠久，源远流长，具有连续发展与阶段高潮的特点。与同一古代时期的
49、任何一个民族相比，中国古代物理学具有特别丰富的内容，在力、热光、电、声、磁和物质结构诸方面都有充分的发展。中国古代物理学在内容上，虽然主要是对自然现象的观察与描述，但古人观察得特别敏锐，描述得非常细致。而且能在“不原其理”的情况下以巧思对物理现象加以应用。在思维方法上，虽然主要是直观的观察与猜测，但突出体现了中国整体思维的特点：注重整体、着重联系、界限模糊。在社会功能上，有实用性的特点，集中体现在高超的技术成就及与各种哲学思想的融会上。,中国古代物理学的不足之处：,在内容上，较多的是对具体物理现象的孤立考察，缺少对现象的归纳和总结，因此少有物理理论。在研究方法上，由于受到整体思维理论框架的束缚
50、，对物理现象的思考与解释通常采用一般的模糊的、形象的证明方式，常是笼统的，可此可彼的泛泛方法。缺乏对物理现象的具体分析与逻辑思考。缺乏与数学的结合，不善于用数学语言来描述，因此很难正确把握物理规律和建立理论。在物理实验上很少进行定量的研究，缺乏碓实验的重视。,第二章 西方古代物理学,一.古希腊的自然观二.古希腊的物理知识三.中世纪的物理知识,一.古希腊的自然观,欧洲文明源自古希腊，从公元前8世纪到公元4世纪，史称“古希腊时期”。这个时期，古希腊学派林立、智者云集，包括科学在内的希腊文化达到了奴隶社会的颠峰。,米利都学派创始人泰勒斯（约前624-前547）认为万物本原是水，万物生于水又复归于水。
