1.1中国古代物理学发展_图说物理-QQ阅读男生都市网

书名：图说物理
作者名：舒锡莉王卓
本章字数：11335字
更新时间：2020-08-28 13:33:51

1.1中国古代物理学发展

中国是一个历史悠久的文明古国，有着许多令人惊叹、举世闻名的科学成就。而其中的一些成就与物理密切相关。中国古代物理学，从时间分期来看，大体以春秋战国（公元前8世纪～公元前3世纪）、两汉（公元前2世纪～3世纪）、宋明（10～17世纪）为三个高峰；从研究方法上看，基于生产技术中的经验及日常生活中的观察而作的定性描述较多，相反，有目的地进行实验或者结合数学上的推证和计算来思考则较少。

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1.1.1　物质观

在长期的生产实践中，中国古人很早就对自然界的各种自然现象的形成、变化、天地万物的本源问题进行了思考及探索，先后提出了各种不同的学说，比如我国古代（明清时期及以前）人民对物质本源的认识，有五行说、阴阳说、原子说和元气说。其中五行说与阴阳说回答了世界是由什么物质（几种元素）构成以及它们如何按阴阳消长而运动变化的问题。而原子说与元气说则是对物质的最终构成是否连续的问题作了不同的解答。

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人物小史与趣事

吕不韦（公元前292—公元前235），商人、政治家、思想家，命门客编撰《吕氏春秋》，又名《吕览》；分为八览、六论、十二纪，共20余万字，汇合了先秦各派学说。吕不韦以“兼儒墨，合名法”为中心思想，系统性地提出自己的政治主张，为先秦杂家代表人物之一。

▲ 一字千金

当时，魏国有信陵君，赵国有平原君，楚国有春申君，齐国有孟尝君，被称作战国“四公子”。他们都礼贤下士，结交宾客，名扬四海。吕不韦认为秦国如此强大，而自己也是堂堂秦国丞相、秦王的仲父，不应该被他们比下去，因此他也招来了文人学士，给他们优厚的待遇，门客多达三千人。那时各诸侯国有许多才辩之士，著书立说，流行天下。吕不韦就命他的门客各自将所见所闻记下，综合在一起成为八览、六论、十二纪，共二十多万字。他认为其中包括了天地万物古往今来的事理，因此将其称为《吕氏春秋》。他还将书的内容写在布匹上，并把它挂在咸阳的城门，上面悬挂着一千金的赏金，遍请诸侯各国的游士宾客，如果有人能增删一字，就给予一千金的奖励。但最后也没有一个人能够做到。

王充（27—97），字仲任，会稽上虞人（今属浙江），哲学家、思想家、文学批评家，主要著作：《论衡》。

▲ 王充和《论衡》

东汉时期的王充在其著作《论衡》中充分表达了元气自然论思想。他说：“天地，含气之自然也。”（《论衡·谈天篇》）“谓之自然无为者何？气也。恬淡无欲、无为、无事者也。”（《论衡·自然篇》）“万物之生，皆禀元气。”（《论衡·言毒篇》）虽然老子、管子等人均早于王充提出了气生万物的概念，但是他们提出的“气”并不是生成万物的最初始源，与王充的“含气之自然”有一定的区别。

在王充的元气自然论中，元气不仅具有物质性及能动性，而且还具有派生性、弥散性、相互转化和守恒等特性，其中以元气的相互转化与守恒思想最为凸显。他说：“天地不生故不死，阴阳不生故不死。”（《论衡·道虚篇》）“一天一地，并生万物，俱得一气。气之薄渥，万世若一。”（《论衡·齐世篇》）“阴阳之气，天地之气也……物变随气，不可谓无。”（《论衡·讲瑞篇》）“人生于天地之间，其犹冰也，阴阳之气，凝而为人，年终寿尽，死还为气。”（《论衡·论死篇》）天地的不生不死，是元气永恒不灭的原因；万物生于气，死亦复归于气，也就是气-物-气之间的相互转化是绝对的，就连人也无法违背这一规律；“气之薄渥，万世若一”则说明了万物在变化过程中，各个物种、每个物体所需元气的厚薄、多寡均是固定不变的，即所需物质的多少是一恒量；“物变随气，不可谓无”则明确表示，物质的生成与变化过程均离不开气，“无中生有”是不可能的。

王充还用他的元气自然论思想对当时所观察到的一些自然现象（如大气变化现象、雷电现象、静电现象、静磁现象、热传递现象等）产生的原因进行了解释。

王充的元气自然论思想对元气说的发展产生了巨大影响。三国时的嵇康(224—263)明确提出：“元气陶铄，众生禀焉。”晋代的杨泉在其《物理论》中也明确提出：“夫天，元气也，皓然而已，无他物焉。”和王充的《论衡》类似，杨泉用元气化生理念对一些自然现象进行了解释。

▲ 热传递和大气现象

王充在《论衡·寒温篇》中对热的辐射和大气现象提出了精辟的看法。他用气来解释“近水则寒，近火则温”，认为是“气之所加，近远有差”，“远之则微”。这是认为热传递与距离有关，是“气”在起着“温”“热”的物质媒介作用，而且有远近之差，观察比较细微。他还用自然规律来解释气象变化。

“云雾，雨之征也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪，雨露冻凝者，皆由地发，不从天降也。”（《论衡·说日篇》）在《感虚篇》中他还驳斥“雨从天降”的看法：“夫云雨出于丘山，降散则为雨矣，人见其从上而坠，则谓之天雨水也，夏日则雨水，冬日天寒则雨凝而为雪，皆由云气发于丘山，不从天上降集于地，明矣！”他还认为降霜与释冰所需寒热要有一个积累过程，即要有相当的量才行：“倚一尺之冰，置庖厨中，终夜不能寒也，何则？微小之感，不能动大巨也……寒不累时则霜不降，温不兼日则冰不释。”（《论衡·感应篇》）这是很精辟的见解。明代方以智(1611—1671)在《物理小识》中还进一步提到冰的融化不但要有一定量的热，而且与隔热条件有关：“冰在暑时以厚絮裹之，虽置日不化，惟见风始化。”

1.1.2　力学

中国明清以前的力学成就主要体现在对一些力学现象的认识及力学知识的应用上。力学在中国经历了持续而缓慢的过程。从元谋人开始，到新石器时代，在各种原始的工艺技术中，比如陶器、箭镞、建筑、纺织和交通工具的制作中，已孕育着力学的知识。有文字记载以前的力学知识反映在一些出土的文物古迹和古文化遗存中。从周代到明代有许多记述关于力学实践和认识的著作，如春秋战国之交成书的《考工记》，战国时期以墨翟为首的墨家代表作《墨经》，汉代王充的《论衡》，宋代沈括的《梦溪笔谈》、李诫的《营造法式》，明代宋应星的《天工开物》等。从历史时期上看，中国古代力学有两个发展高峰期：一个是战国时期，在力学的应用方面可以与古希腊相媲美，而理论方面则稍逊色；另一个是宋代，取得了中世纪欧洲望尘莫及的成就。但是，总的说来，在中国古代并未出现一部专门的力学著作，力学知识散见于各种书籍之中。总的特点就是：经验多于理论，器具制造多于数理总结。

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人物小史与趣事

刘焯（544—约610），字士元，信都昌亭（今河北冀县）人，隋代天文学家。着力研习《九章算术》《周髀》《七曜历书》等；还著有《稽极》10卷、《历书》10卷；提出新法，编有《皇极历》，在历法中首次考虑太阳视差运动的不均匀性，创立用三次差内插法来计算日月视差运动速度，推算出五星位置和日、月食的起运时刻。这是中国历法史上的重大突破。

▲ 《皇极历》

隋代著名的天文历法家刘焯在他制定的《皇极历》中，最先采用了等间距二次内插法来计算日、月五星的视运行度数。他所采用的计算公式，是在多次运用了瞬时速度和平均速度这两个概念后才得到的。唐代僧人一行认为，太阳的周年视运动不是匀变速运动，所以在《大衍历》中，他用不等间距二次内插法来推算日、月的视行度数。元代的王恂(1235—1281)等编制的《授时历》中，用“招差法”来推算日、月、五星的视行位置，很好地解决了计算中的误差修正问题。

张衡（78—139），字平子，我国东汉时期伟大的天文学家、数学家、发明家、地理学家、文学家，为我国天文学、机械技术、地震学的发展作出了不可磨灭的贡献。

在数学、地理、绘画和文学等方面，张衡也表现出了非凡的才能和广博的学识。张衡是东汉中期浑天说的代表人物之一，并且认识到宇宙的无限性与行星运动的快慢和距离地球远近的关系。张衡在132年发明了全国第一架地动仪。

▲ 博通经籍

张衡的家族世代为当地的名门望族。他的祖父张堪，自小志高力行，被人称为“圣童”，曾把家传余财数百万让给他的侄子。光武帝刘秀登基后张堪被任命为蜀郡太守，随大司马吴汉讨伐割据益州的公孙述，立有大功。其后他又领兵抗击匈奴有功，被拜为渔阳太守,曾以数千骑兵击破匈奴来犯的一万骑兵。此后在他的任期内匈奴再也没有敢来侵扰。他又教人民耕种，开稻田八千顷，人民由此致富。所以，有民谣歌颂他说：“张君为政，乐不可支。”张堪为官清廉，伐蜀时他是首先攻入成都的，但他对公孙述留下的堆积如山的珍宝分毫未取。蜀郡号称天府，但张堪在调离蜀郡太守任时乘的是一辆破车，携带的只有一卷布被囊。

张衡自小刻苦好学，少年时便会做文章。16岁以后他曾离开家乡到外地游学。他先到了当时的学术文化中心三辅（今陕西省西安市一带）地区。这一地区壮丽的山河和宏伟的秦汉古都遗址给他提供了丰富的文学创作素材。后来他又到了东汉都城洛阳。在那儿，他进过当时的最高学府太学，结识了后来著名的学者崔瑗，与他结为挚友。张衡兴趣广泛，自学《五经》，贯通了六艺的道理，而且还喜欢研究算术、天文、地理和机械制造等。但在青年时期，他的志趣大半还在诗歌、辞赋、散文上。尽管他才高于世，却没有骄傲之情，平时从容淡泊，不喜欢与俗人相交。

▲ 候风地动仪

候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器，由中国东汉时期的科学家张衡于汉顺帝阳嘉元年（132年）发明。《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明。

地动仪利用其中“都柱”的惯性，在地震时使龙张口吐出铜丸落于蟾蜍口中。《后汉书·张衡传》：“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊,饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方向，乃知震之所在也。”书中记录公元138年3月10日甘肃大地震的情况：“尝一龙机发而地不觉动，京都学者咸怪其无征。后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙，自此以后，乃令史官记地动所方起。”据当时记载：“验之以事，合契若神。”这台仪器不仅博得当时人的叹服，就是在现在的科学家看来也无不赞叹。

1.1.3　热学

我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结，可以说是从火的利用和控制开始的。火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力量，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古人对热现象认识的开端。约在公元前2000年，我国已有气温反常的记载，在西周初期，人们开始掌握降温术和高温术。我国冶炼业的发展比较早，高温技术也很早就被人们掌握。温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，就已经创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。所以中国古代热学所取得的成就主要是对一些热现象的认识及实际应用等。

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人物小史与趣事

▲ “温度”的概念

“温度”概念在我国只有“火候”的经验指标，如《考工记》：“凡铸金之状，金与锡，黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也。”这里在黄白之前的暗红色阶段约为550℃，而白色阶段约为1000℃。

由医学知识可知，人的体温基本相同。汉代及其之前的先民们已充分地认识到这一特点，并把人的体温作为判别环境或其他物体温度高低的标准。有学者认为，体温是古代最恒定的“温度计”，以体温，特别是人体腋下温度作为环境温度或者其他物体温度的判别标准，在温度计发明之前无疑是热学计量中最佳的方法。

▲ 最早的冰箱

在西周时期，人们已经知道，冬天将天然冰块储藏在地窖里，到春、夏天则可用来保存食物和避暑降温。《诗经·豳风·七月》中写道：“二之日凿冰冲冲，三之日纳于凌阴。四之日其蚤，献羔祭韭。”这里的“二之日”指的是夏历的二月。在此后的许多文献中都有藏冰、用冰的记载，在战国初期还有专门用于冷冻保鲜的特制容器——冰鉴。1978年，湖北省随县曾侯乙墓就出土了一件铜冰鉴。它是一件双层容器，方鉴内套有一方壶。夏季，鉴、壶壁之间可以装冰，壶内装酒，冰可使酒凉；而冬天，亦可在鉴、壶壁之间装上热水，而使壶内酒温。

刘安（公元前179—公元前122），西汉皇族，淮南王。作《离骚传》，编写《鸿烈》（亦称《淮南子》），其内容以道家的自然天道观为中心，认为宇宙万物都是由“道”派生。他善用历史传说与神话故事说理，如《共工怒触不周山》《女娲补天》《后羿射日》等。由于深得武帝尊重，经常获得武帝的赐书。但是他所藏之书，《汉书》称其“多浮辩之书，无实用者甚多”。后因谋反事发自杀。

万户，本名陶成道，字号东宁伯，明朝士大夫，元末出生于婺州（今浙江金华），明洪武二十三年（1390年）去世。

主要著作：《火器神技艺》。主要成就：第一个想到利用火箭飞天的人，被称为“世界航天第一人”。

▲ 万户和他的“火箭”

万户熟读诗书，但不去投考。因为他不爱官位，爱科学。他最感兴趣的是中国古人发明的火药及火箭，想通过这两种具有巨大推力的东西把人送上蓝天，去亲眼观察高空的景象。为此，他做了充分的准备。一天，他手拿两个大风筝，坐在一辆捆绑着四十七支火箭的蛇形飞车上。然后，他命令他的仆人点燃第一排火箭。只见一位仆人手举火把，来到万户的面前，心情十分沉痛地说道：“主人，我心里好怕。”万户问道：“怕什么？”那仆人说：“倘若飞天不成，主人的性命怕是难保。”万户仰天大笑，说道：“飞天，乃是我中华千年之夙愿。今天，我纵然粉身碎骨，血溅天疆，也要为后世闯出一条探天的道路来。你等不必害怕，快来点火！”仆人们只好服从他的命令，举起了熊熊燃烧的火把。只听“轰！”的一声巨响，飞车周围浓烟滚滚，烈焰翻腾。顷刻间，飞车已经离开地面，徐徐升向半空。而正当地面的人群发出欢呼的时候，第二排火箭自行点燃了。突然，横空一声爆响。只见蓝天上万户乘坐的飞车变成了一团火，万户从燃烧着的飞车上摔下来，手中还紧紧握着两支着了火的巨大风筝。虽然这是一次失败的尝试，但是万户被誉为利用火箭飞行的第一人。为了纪念万户，月球上的一座环形山以他的名字命名。

1.1.4　声学

我国古代在声学方面有着辉煌的成就。这些成就主要体现在当时人们对乐器的制作、对音律的研究、对共振现象的探索等几个方面。1973年在浙江余姚河姆渡地区出土的骨哨和骨笛，至今仍能吹奏出和谐的旋律。据测定，这批文物为新石器时代的制品，距今已有7000多年，这表明我国人民在史前时期对声学就有深刻的认识。到了3000多年前的商代，人们已经能系统地掌握乐器制造方法和相应的乐律规律等。我国古代对乐律的研究比西方早得多。另外，我国人民很早就注意建筑物内传声和听音的效果，这是促使声学发展的另一重要源泉。中国古代工匠在建筑声学技术方面也有丰富的经验，如北京天坛的回音壁等。

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人物小史与趣事

宋应星（1587—约1666），字长庚，明朝著名科学家。其著作《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，被称为“中国17世纪的工艺百科全书”。宋应星的著作还有《野议》《论气》《谈天》《思怜诗》《画音归正》《卮言十种》等，但今已佚失。

▲ 喜欢“旁门左道”

宋应星聪明好学，有过目不忘的本领，深得老师及长辈的喜爱。后来，他与哥哥一起考入当地县学当学生，熟读经史和诸子百家。他个性活泼，对枯燥乏味的八股文不感兴趣，喜欢音乐、作诗，常和同窗好友游山玩水，吟诗作赋，纵论天下。

课外，他还喜欢研究被当时读书人称为“旁门左道”的各种物件的制作技术。有一次，他与几个朋友到一个人家去做客。那人家里摆满了许多大小、形状、颜色以及图案都不同的花瓶。宋应星立即对这些陶土制成的花瓶产生了兴趣，不断询问这些花瓶的制作方法。但一些朋友却摇头对他说：“这些花瓶的制造方法不过是雕虫小技罢了，不值得我们读书人学习。”宋应星却想：“我们对这些日常生活用品都不知道是怎么来的，这只能说明自己的无知，怎么能够简单地看作雕虫小技呢？我一定要将它们搞懂。”于是，他开始留心做各种技艺资料的收集及记录。

朱载堉（1536—1611），字伯勤，明太祖朱元璋九世孙，明仁宗的第六代孙，郑藩王族嫡世，明朝著名律学家、历学家、音乐家。中外学者尊崇他为“东方文艺复兴式的圣人”。主要著作有《乐律全书》《律吕正论》《律吕质疑辨惑》《嘉量算经》《律吕精义》《律历融通》《算学新说》《瑟谱》等。

▲ 十二平均律的准确算法

据《吕氏春秋》记载，我国的十二律始于黄帝时期。《吕氏春秋》《淮南子·天文训》中都记载有用三分损益法推算十二律的计算方法。用三分损益法计算出来的十二音律被叫作“十二不平均律”，也就是它们相邻之间的律差（即频率差）是不相同的。

1584年，明代的朱载堉给出了十二平均律的准确计算方法，是世界上最早提出十二平均律准确计算方法的乐律学家。

▲“天潢中之异人”

明嘉靖二十九年，在郑王王宫外面，一间小土屋“拔地而起”。而住在这间小土屋里面的竟是郑王的世子朱载堉。郑王朱厚烷是明朝时期历史上一个比较正直廉洁的藩王，《明史》说他“自少至老，布衣蔬食”，但是他犯了圣怒，被嘉靖皇帝治罪并发往中都凤阳软禁。而朱载堉则认为，父王并没有犯什么错误，既无大逆不道，也未贪赃枉法，只是没有像其他藩王那样投皇帝所好，而是上书规劝皇帝要修德讲学，不要大兴土木，更不要相信神仙。这些是一名臣子应该做的事情，皇上轻信谗言将父王治罪。身为皇室成员，朱载堉既痛恨又无法发泄，无奈之下他找到了这样一个颇似现代“不抵抗主义”的法子，而且发誓，父王一天不归，他一日不回宫。就这样，他在那间小土屋里一住就是19年，直到隆庆初年，郑王被赦他才返宫。

万历十九年，朱厚烷薨，朱载堉则上疏神宗，恳请将爵位让给同族的兄弟，他的行为在朝野之中引起了巨大震动，人们将他称为“天潢中之异人”。

沈括（1031—1095），字存中，北宋钱塘（今杭州）人，政治家、科学家，在物理、数学、天文学、地学、生物学等方面都有重要的成就和贡献。晚年于润州（今江苏镇江）梦溪园撰《梦溪笔谈》三十卷。又曾推荐卫朴编修《奉元历》，主张革除旧历法，以节气定月，创“十二气历”。比欧洲早400年发现地磁偏角的存在。著医书《良方》《灵苑方》。又最早提出“石油”的命名。有《长兴集》传世。

▲ 共振实验

沈括曾精心设计了一个共振实验。因为弦振动比较微弱，不易观察，所以他剪了一些纸人，放在弦上来进行试验。他写道：“琴瑟弦皆有应声：宫弦则应少宫，商弦则应少商，其余皆隔四相应。今曲中有声者，须依此用之。欲知此应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。”这一段文字中说的是琴瑟的弦均能引起共振（应声），发宫音的弦（宫弦）和发少宫音（高八度的宫音）的弦能共振，发商音的弦与发少商音的弦能共振。其他每隔四根弦的两根都能共振。把琴瑟的弦调节好后，将纸人放在某一根弦上，弹奏与其能发生共振的那根弦时，纸人就会频频跳跃，而弹奏其他弦时，纸人则安然不动。

沈括的一个朋友，家里有一把琵琶，放在空荡的房间里，当用笛管吹奏双调的时候，琵琶常常应声。那人以为这琵琶是什么宝贝。沈括知道后，向他指出了这是共鸣现象。沈括所做的共振实验在声学史上算是最早的一个。相隔5个世纪之后，英国人诺布尔和皮戈特才想到用纸游码演习弦线的基音和泛音的共振关系。

▲ 虹的科学道理

沈括在光学方面也有很高的造诣，他通俗地解释了凹面镜成像和小孔成像的道理，还对光的直线传播和光的折射现象进行了研究，解释了虹的科学道理。

沈括《梦溪笔谈》：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违，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。”又说：“本末相格，遂成摇橹之势，故举手则影愈下，下手则影愈上，此其可见。”

▲ 发现磁偏角

指南针是我国的四大发明之一。沈括《梦溪笔谈》对于指南针的使用做了多种实验，包括把指南针放在水面上，放在手指甲上和碗边上，都不够满意，后来他想到取单股蚕丝用蜡粘在指南针的针腰上，悬挂在避风处，针就平稳地指南了。这是世界上关于使用指南针的最早实验记录。更可钦佩的是，《梦溪笔谈》上还有关于磁针的方向“常微偏东，不全南也”的记载。这说明沈括在实验中已经发现了磁偏角。西方一般以为，哥伦布在1492年远渡大西洋时首先观测到磁偏角，而不知沈括在400多年前就做了这类实验，并得出了实验结果。据研究，11世纪，沈括经常居住在长江下游，那里的地磁偏角一般是3～4度，在800多年前发现这样小的偏角在物理学上确是一大贡献。

墨子(约公元前468—公元前376），名翟，战国时期思想家、教育家、军事家、科学家，墨家学派的创始人。墨子有著作传世，较能代表墨子学说和思想的有《尚贤》《兼爱》《非攻》。墨家在战国时期是一个重要的学派，与儒家并称“显学”。《墨子》由墨子和各代门徒逐渐增补而成，其内容广博，包括了政治、军事、哲学、伦理、逻辑、科技等方面，是研究墨子及其后学的重要史料。

▲ 染丝与做人

墨子在小的时候就接受了儒家的教育。老师教他六艺——礼、乐、射、御、书、数。而墨子对后四项十分感兴趣，因为这几项可以锻炼人的动手能力。墨子的老师也很着重培养墨子这方面的能力，他经常带墨子去参观工匠们的作坊。有一次他带墨子去了染布坊，让墨子观察布匹是如何染色的。墨子对工匠们的劳作十分感兴趣，当他看得聚精会神时，他的老师说：“看到了吧，这些丝绢本来都是雪白雪白的，将它们放入黑色的染料中，就变成了黑的；将它们放入黄色的染料中，就变成了黄色的。”墨子道：“丝绢的颜色会跟着染料的颜色来变化，是这样的吗？”老师道：“是啊，做人的道理和染丝一模一样，不同的是，丝是被人放进染料的，而如何做人则完全是自己作出的选择。”

墨子明白了老师的意思，更加严格地要求自己。在他成为思想家收了门徒之后，他也经常用这个例子来教导自己的学生。

▲ 墨子和翁式地听器

早在春秋战国时期，共振效应就被用于军事上。墨子和其弟子们发明了各式各样的翁式地听器，并且设置了多种识别声源方位的方法，来侦探敌方挖掘地道的方位，防止敌人由地道攻入城内。据《墨子·备穴》中记载：“令陶者为罂，容四十斗以上，固顺之以薄革，置井中，使聪耳者伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之。”

张华（232—300），字茂先，范阳方城(今河北固安县)人，晋政治家、文学家、藏书家。主要著作：《博物志》等。

▲ 消除共振

据记载：“又中朝时，有人蓄铜澡盘，晨夕恒鸣如人扣，以白张华。华曰：‘此盘与洛阳钟宫商相谐，宫中朝暮撞，故声相应。可错令轻，则韵乖，鸣自止也。’依言，即不复鸣。”这里的“错”就是“锉”。由此可知，张华不仅知道产生共振的原因，而且还知道只要把铜盆略微锉去一些，改变其固有频率，共鸣的事就不会再发生了。

1.1.5　光学

中国古代（明清时期及以前）在光学方面的成就在当时处于世界领先的地位，其中对于光现象及光的利用等方面不仅有大量的文字记载，而且还留有众多的实物。它起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。根据古籍记载，中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。

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人物小史与趣事

赵友钦（1279—1368），或名敬，字子恭，自号缘督，所以别人就称他为缘督先生或缘督子，科学家。

主要成就：对光线直进、小孔成像与照明度最有研究并最早进行大规模实验。

主要著作：《革象新书》《金丹正理》《盟天录》《推步立成》等。

▲ 赵友钦和“小罅光景”

“小罅光景”中介绍了两个关于小孔成像的光学实验：

第一个是利用壁间小孔成像。他观察到日、月光通过壁间小孔，小孔虽然不圆，但所得到的像却都是呈圆形的。日食的时候所观察到的像和日食圆缺的分数相同。小孔的大小虽然不同，但像的大小几乎相等，只是浓淡不同（即照度不同）。如果把像屏移向小孔，则像变小，照度加大。他对此现象进行了深入思考，终于认识到：这是由于“罅小则不足容日月之体，是以随日月之形而皆圆，及其缺则皆缺”。

他又注意到如果壁间的孔相当大，则情况大不相同，光斑的形状必随孔的形状而呈方形或圆形。这是由于“罅大而可容日月之体也”的缘故。

第二个实验则为一个在楼房中进行的、更为复杂的大型实验。他以楼房为实验室，分别在楼下两个房间的地面上挖两口直径为四尺多的旱井，右井深四尺，左井深八尺，根据实验需要，在左井中可另放一张四尺高的桌子。另做两块直径为四尺的圆板，每块板上密插着一千多支点燃的蜡烛，放入右井底和左井的桌上作为可以人工控制的两个光源。在两个井口分别用中心开孔的板加以遮盖，以楼板为固定像屏。这个实验步骤繁多而又有条不紊，效果明显，说服力强，如此精彩的光学实验，在当时世界上也是绝无仅有的。

郭守敬(1231—1316)，字若思，又名郭太史，天文学家、数学家、水利专家。

主要成就：制定《授时历》，西夏治水，大都治水，制造天文测量仪器。主要著作：《授时历》《推步》《立成》等。

▲ 掌握莲花漏的制造方法和原理

郭守敬在十五六岁的时候就显露出了科学才能。那时他得到了一幅“莲花漏图”。他对图样作了精细的研究，摸清了制作方法。

莲花漏是一种计时器，是北宋科学家燕肃在古代漏壶的基础上改进创制的。这器具由好几个部分配制而成，上面有几个漏水的水壶。这几个水壶的水面高度保持不变。水面高度不变，往下漏水的速度也就保持均匀。水流速度保持均匀了，那在一定时间内漏下的水量就一定不变，不会忽多忽少。这样，就可以通过漏下的水量指示出时间来了。燕肃留下的莲花漏图，就画着这样的一整套器具。

配制这套器具的原理比较复杂，燕肃所画的图构造也很不简单。仅仅依据一幅图就想掌握莲花漏的制造方法和原理，对一般成年学者来说也不是一件容易的事情。年纪才十几岁的郭守敬居然把它弄得一清二楚，这就足以证明郭守敬确是一个能够刻苦钻研的少年。

▲ 修复石桥

在邢台县的北郊，有一座石桥。金元战争的时候，这座桥被破坏了，桥身陷于泥淖里。日子一久，竟没有人说得清它的所在了。这给来往的人带来了很大的不便，而且严重影响了当时的农业发展。郭守敬勘查了河道上下游的地形，对旧桥基有了一个估计。按照他的指点，居然一下子就挖出了被埋没的桥基。石桥修复之后，当时一位有名的文学家元好问还特意为此写过一篇碑文。那时候，年轻的郭守敬已经能对地理现象作颇为细致的观察了。那一年，他刚刚20岁。

▲ 西夏治水

中统三年（1262年），因时任左丞的张文谦的推荐，郭守敬在开平府受到元世祖忽必烈召见，他面陈关于水利的建议六条，每奏一事，忽必烈都点头称是，对他颇为赞赏。他随即被忽必烈任命为提举诸路河渠，掌管各地河渠的整修和管理工作。

中统四年（1263年），朝廷加授郭守敬银符，升其为副河渠使。

至元元年（1264年），郭守敬与唆脱颜前往西夏（今甘肃东部、宁夏、内蒙古西部一带）地区视察河渠水道。数月后，张文谦又作为朝廷的代表治理西夏。郭守敬在张文谦的领导和支持下，奉命修浚西夏境内的唐来、汉延等古渠，更立闸堰，使当地的农田得到灌溉，受到西夏百姓的爱戴。当地百姓曾在渠头上为他建立生祠。

至元二年（1265年），郭守敬升任都水少监。

至元十二年（1275年），丞相伯颜南征，打算建立水运站，命郭守敬视察河北、山东一带可通舟行船的地方，并绘图奏报。

1.1.6　电磁学

中国古人对电和磁的知识的积累及其技术成就，在世界物理学史中占有极为重要的地位。古代电学成就主要体现在对雷电现象和摩擦起电的发现、描述、研究，而古代中国人在雷电、静电、静磁学方面的知识以及在罗盘的制造方面远远地走在欧洲人前面。中国古代的磁学成就主要体现在对于磁石引铁性能的研究及指南针的发明和应用，除了用传统方式解释磁体极性、磁偏角之外，在其他方面的科学发现和技术成就也是令人惊叹的。对尖端放电现象的观察及研究，使古人发明了避雷器，用于高大建筑的顶端，防止雷击。尤其是磁的研究及应用对中国古代的生产、军事以及航海测量等技术的发展起到了重要作用。

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