中国古代趣味物理实验大集合.docVIP

中国古代趣味物理实验大集合摘要：将分布在中国古籍中的一些趣味性浓的物理实验收集拢来予以介绍，扼要地分析了实验原理与方法，指出其在当今物理学中的应用，对了解中国古代物理实验产生、变化、发展的历程具有参考价值。　　继“中国古代趣味物理实验拾零”、“中国古代趣味物理实验十摘”之后，又从古籍中挑选出部分趣味物理实验予以介绍。并扼要分析实验原理与方法。1迎风转秫　　《帝京景物略》云：“剖秫秸二寸，错互贴方纸，其两端各红绿，中孔，以细竹横安秫竿上，迎风张而疾趋，则转如轮，红绿浑浑如晕。”　　这是一个利用风能去推动秫秸转动的实验，实验演示了颜色合成。仪器制作与实验过程大体如此：将去掉穗的高粱杆截成若干段，每段长二寸，剖开。分别把红纸、绿纸剪成方形，并把它们交叉地贴在高粱杆的两端。把高粱杆也交叉放在一起，在交叉的高粱杆的中部钻孔，用细竹一端穿过小孔作为转轴，手持细竹另一端逆风行走，纸片张开，高粱杆快速转动，状如飞轮。此时，红绿两种颜色就像日晕那样浑然一体，形成十分美丽的色环。　　本实验中的“仪器”，人们称它为“风车”，是一种儿童玩具。这种“仪器”，在中国古代统治者心目中，肯定不能登大雅之堂。因此，从事科学研究的人们，总是想方设法把自己的发现以玩器的形式保存下来，以启迪思维，激发智力。2著翼起飞　　《汉书·王莽传》云：“取大鸟翮为两翼，头与身皆著毛，通引环钮，飞数百步堕。”这是一个滑翔飞行实验：用大鸟羽拼合成两只大翅膀，用牵引线把它们固定在人身两侧，人从头到脚装上羽毛，然后拉着牵引线迅速奔跑，就会象鸟儿一样飞向空中，飞行数百步掉下。我们清楚，鸟在飞行时，翅膀的上面往往向上凸起，下面平直或略微凹进。如果直接将大鸟翅膀作飞翼，或将若干鸟的羽茎拼织成鸟翼形状，那么人拉着“翅膀”迅跑时，空气就相对“翅膀”向后移动。因“翅膀”上凸下平，流过“翅膀”上面的空气，需要绕一个弯，其流速要比“翅膀”下面空气的流速快。这样，“翅膀”上面空气流速快，压强小，“翅膀”下面空气流速慢，压强大，使“翅膀”上下产生压强差。这个压强差，会产生一股把“翅膀”向上托起的升力，这个升力可把物体托向空中。　　这个实验，是人类第一次进行滑翔飞行的实验。它惊险，有趣，尽管可能不会成功，但试验者需承担较大风险。由此可见，我们的祖先何等聪明和勇敢。3水中浮丹　　宋代洪迈在《夷坚志》中介绍：“宣和中，蔡鲁公闭居京师，有方士持阴阳丹一两许，如弹子大，色正红，以献之。置之水中，随十二时上下，六阳时则浮上，六阴时则沉。仍各准其方位，不差晷刻。”　　阴阳丹的组成成份是什么，洪迈没有说明。但在宋代，“水中浮丹”的研究是比较深入的，哪些材料制丹能在水中自由游走，哪些材料制丹可在水中自动沉浮，实验一丝不苟。苏轼就曾提到：“獐脑黄蜡和匀染黑，投水中作蝌蚪，自然水中走动。”《格物粗谈》中的“浮水金丹”是用樟脑、银珠捣成的。此外，《北梦琐言》还记载了一个盆中游鱼的实验：“戍州刺史文思辂亦有戏术，曾剪纸鱼投于盆内活。”从洪迈的记录看，阴阳丹在水中的运动很像潜水艇的沉浮。这使人想起阿基米德原理：浸入液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体受到的重力。由此可知，当丹的比重大于液体比重时，丹会下沉，当丹的比重小于液体比重时，丹则上浮。　　樟脑丸为什么能在水中自动沉浮呢？原来，实验中的“水”为醋酸溶液，樟脑丸的比重比醋酸溶液略微大一些，所以开始时樟脑丸沉入杯底。但由于醋酸与碳酸钠发生化学反应，产生的二氧化碳气体聚集在樟脑丸的表面，使樟脑丸和气泡这一整体的比重小于液体比重，樟脑丸浮了起来。当樟脑丸浮到液面时，附在樟脑丸表面上的二氧化碳气体逸出，剩下的气泡连同水对樟脑丸上向的浮力支持不住樟脑丸的重量，于是又沉入杯底。　　当今课堂上，有些物理或化学老师就做过这种实验：在半杯醋酸里加入碳酸钠数粒，然后把一粒樟脑丸放入杯里。樟脑丸起初沉入杯底，过一会儿就会慢慢浮上来，浮到液面后再沉下去，然后又浮起来，如此反复，十分有趣。4空中飞蝶　　张岱在《夜航船》中指出：“竹内膜纯阴，将酥涂其上，见太阳即飞，名飞蝴蝶。”这是一个什么实验？笔者不敢肯定。从字面上看，它好像是一个实验装置经过改进的“鸡子举飞”：从竹筒中取一张竹膜，将其收扰成球状，在接口处内侧涂上适量酥油，使竹膜像一个吹足空气的气球。然后把竹膜放在太阳下加热，竹膜球内部空气受热膨胀，当球内空气压力较大时，空气从酥油粘合处冲开一个缺口，这样气体对竹膜球产生反作用力，使竹膜球飞向空中。　　与“鸡子举飞”(苏轼《物类相感志》：“鸡子开小窍，去黄白了，入露水，又以油纸糊了，日中晒之，可以开起，离地三四尺。”)实验比较，竹膜球的体积可以做得很大但重量极轻，这会使实验更易成功。另一方面，因竹膜重量轻，将其加工成蝴蝶或其