中国古代趣味物理实验

中国古代趣味物理实验

　　刻鱼测雨

　　汉代有一个奇特的物理实验，仪器是用玉石雕刻的鱼。这种鱼可能为椭圆形、中空，髟耆尾皆具。实验目的是以鱼的鸣吼来预测天气。原文见《西京杂记》：“昆明池刻玉石为鱼。每至雷雨常鸣吼，髟耆尾皆动。汉世祭之祈雨，往往有验。”这个实验巧妙地运用了共振效应，效果相当不错。使那些不知原理的人。对石鱼产生敬仰，并顶礼膜拜。

　　我们清楚，风暴时，强风掠过海面会产生次声波，次声波和风暴怒吼的声波一起向四面八方传播，声波很容易被空气和大海“吃”掉，唯有频率很低的次声波在传播过程中能量损失慢、传播距离远。加之次声波比风浪速度快许多倍，它能成为风暴来临的警报。但次声人耳无法分辨，如果能制造一种仪器，将次声变为可闻声，那么这一装置就成为一种风暴报警器。石鱼就是这样一种装置：它张口，腹空，当次声波不断对它施以周期性外力时，石鱼作受迫振动。若声波的策动力频率与石鱼的固有频率成倍数关系，石鱼产生非线性共振，发出声波。其中，高频部分为可闻声。此时，石鱼“髟耆尾该动”，其声学效应表现为大声“鸣吼”。

　　在中国古代，利用共振效应预测天气、地震、兵乱的例子不胜枚举。如：“石鼓，冀县有天鼓山，山有石如鼓，河鼓星摇动，则石鼓鸣，鸣则秦土有殃”;“陕州黄河有钟，大水小水常自浮出，每昧朔阴雨之日辄鸣，声响悲亮，行客闻之莫不怆然”;“康熙戊申六月十七日戌刻，山东、江南、浙江诸省，同时地大震……又天鼓鸣，钟鼓自呜”;“汉武帝时，未央宫前殿钟无故自鸣，三日三夜不止。诏问太史，待诏王朔，朔言恐有兵气。”

　　可见，“刻鱼测雨”实验有其坚实的理论基础，这些理论是在不断观察、分析中总结出来的。我国汉代就有如此奇妙的实验，这的确是炎黄子孙值得骄傲的事情。

　　固体传声

　　“截竹筒两枚，空其两端，各以一面用皮纸冒之，胶封甚固。两筒纸面相向，取长数丈细线穿过之，使两人各执一筒，一人属口于此筒之空面，一人属耳于彼筒之空面，相去数丈，属口者随意言语，属耳者听之了了，他人不闻也。”

　　这是一个证明固体也能传声的实验。此实验在现行初中物理课本也能找到。实验中的装置，叫“传声筒”，今称“土电话”。很明显，当有人对着细线一端的竹筒(发话筒)讲话时，空气发生振动，它推动皮纸与细线振动。此时，细线另一端的皮纸也跟着振动，这样皮纸又带动竹筒(受话筒)内空气振动，把声音传给受话的一方。这里，话筒起着“共鸣”箱的作用。 在中国古代，常常有人通过挖掘地道的方法向城内发起进攻，为了判辨敌方是否采用这一手段，就得使人侦察。《墨经》云：“令陶者为罂，空四十斗以上，固(顺)之以薄革各革，置井中，使聪耳伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之。”

　　仔细分析，上述“传声筒”与《墨经》中的“听瓮”相似。可以认为，“罂”相当于“听话筒”，敌人的地道相当于“发话筒”，而连接地道与罂里的泥土相当于“线”。不仅如此，“听翁”装置与当今有线电话也相似，如果把“听翁”装置说成是电话的始祖，应当是可以使人接受的。

　　铜镜透字

　　古代有一种镜子，用铜铸成，不仅能照人容貌，而且当光束射到镜面时，铸在镜子背面的铭文图案，还会“透”过镜子映现在屋壁上，非常清楚。这种镜子叫“透光镜”，现已作为演示实验仪器将它搬上讲台。透光镜始于西汉。它与编钟、鱼洗一起，被称为中国古代青铜三宝。

　　用透光镜进行实验演示，最早的文字记载见于隋唐的《古镜记》，因文字较长，不作叙述。现摘北宋沈括的实验记录如下：

　　“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，则背文及二十字皆透屋壁上，了了分明。”

　　铜镜何以透光?沈括说：“人有原其理，以为铸时薄处先冷，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。”这种解释合符科学道理。显然，透光镜铸成后，镜面会有肉眼不易觉察的与镜背铭文相对应的微小起伏，这种微小起伏是在铸造加工中形成的。铸镜时，镜背的花纹凹凸处凝固收缩，产生铸造应力，加之镜面在研磨时产生压应力，造成弹性形变。当镜面研磨到一定的程度时，这些因素共同作用，使镜面产生与镜背铭文相应的曲率。光束照在镜面，镜的微小起伏经光程放大，便显示出其“透光”效应了。关于透光镜的文字记载还有许多，如宋代的《癸卒杂识》、《云烟过眼录》、元代的《间居录》、清代的《铜仙传》、《镜镜言令痴》、《前尘梦影录》、《渊鉴类函》等等均有涉及。

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