中国古代物理学

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2思考题:1.中国古代有哪些突出的物理学成就?有哪些重要的物理学家?2.沈括有哪些科学贡献?3.中国古代物理学发展的特点是什么?4.简述近代物理学未能在中国诞生的原因。3对中国古代物理学的认识：1.对物理现象有比较深刻的认识并得以应用；2.对自然现象的认识达到极高度抽象的理论层次；3.对其认识受限于所能掌握的史料之丰富程度。随时间的推移、研究的进步、新发现的出现，人们对中国古代物理知识的认识难免还会发生变化。4关于物质的构成，中国古代有多种说法，如“五行说”，“八卦说”，“元气说”以及墨家提出的“原子论”。“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”。它不仅具有朴素的元素概念，并具有物质相互转化的观念。春秋时代，五行相生相克的学说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。一.中国古代的物质观5“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６４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。67玻尔族徽8“元气说”：①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》。②气有聚散两态，太虚为气，气形转化《黄帝内经•素问》：“地气上为云，天气下为雨”；《左传•昭公元年》：“气有六，阴、阳、风、雨、晦、明”③气分阴阳，永远处于运动变化之中阴阳二气的相互作用、相互感应，构成了天地万物存在与变化的多样性，天地万物变化的实质即气的运动变化。张载《正蒙》：“气有阴阳，屈伸相感之无穷”。④物质不灭思想王夫之《张子正蒙注•太和》：“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。”；9元气说的局限、以太和场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。1644年，笛卡儿提出以太旋涡理论，以解释原子间的虚空问题和超距作用。后经美国传教士丁韪良的考证，他认为，笛卡儿的以太论可能来源于张载的元气论。李约瑟认为：“元气，像现代人心目中以太波或辐射线。”(JoscphNeedham:ScienceandCivilisationinChina[J].Cambridgepress,Vol.Ⅱ,1962.472）何祚庥先生则认为气“与其说是接近于以太，不如说更接近于现代科学所说的场”，“元气学说……是现代量子场论的滥觞（lanshang:事物的起源)”。（杨仲耆，申先甲：物理学思想史，湖南教育出版社）评价：10二.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。1.物理计量：①时间计量、②度量衡2.时间、空间、运动：①空间和时间②运动与静止③运动的相对性3.对力的认识：4.力学知识的应用11①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。地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍（xù)、亥。天干和地支相互组合成“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。b.十二时辰记时法：子时：23～1时，丑时：1～3时，…,亥时：21～23时。物理计量12表1-1十二时辰与24小时纪日法的对应关系子时23～1时辰时7～9时申时15～17时丑时1～3时巳时9～11时酉时17～19时寅时3～5时午时11～13时戊时19～21时卯时5～7时未时13～15时亥时21～23时13测时仪器：a.圭表—由圭和表垂直构成。利用太阳投影指示时间的仪器。日晷：星晷月晷14b.漏壶：漏壶有两种形式：泻水型和受水型。《隋制》上说：“《周礼》挈壶氏，其法总以百刻，分以昼夜，冬至昼漏四十刻，夜漏六十刻，夏至昼漏六十刻，夜漏四十刻；春秋二分昼夜，各五十刻。”15c.机械记时：东汉时期张衡117年发明浑天仪，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。16②度量衡：度---长度量---容量衡---重量a.计量单位：《汉书•律历志》详细记载：长度单位：引、丈、尺、寸、分，十进制；容量单位：斛（hú)、斗、升、合、龠（yuè），十进制。重量单位：石、钧、斤、两、铢，非十进制。长度：《孔子家语》记载：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”《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》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”。容量：一手所盛为“溢”,二手合盛为“掬”,“掬四谓之豆”公元211年，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上对度量衡进行了统一，制发了一大批度量衡标准器，意义重大。17b.计量器具：长度量具：最早商代的牙尺，等于现在的16.95cm；战国的铜尺，合现在的23.0cm；公元９年，新莽时期的铜卡尺，长度14.22cm，分固定尺和活动尺两部分，相当于现在的游标卡尺。另外还有唐朝镂牙尺（0.3m)、鎏金雕花铜尺、木尺、黄钟玉尺等。远距离长度计量：唐宋时的丈杆、测绳、步车，特别是记里鼓车利用车轮的转动，间接而自动的记录车行里数。容量量具：斛、斗、升、合、龠（yuè）。重量量具：古人称之为‘衡’，衡的形式包括：等臂天平、不等臂天平、杆秤。权就是砝码或秤砣。1954年在湖南长沙战国楚墓出土了我国最早的等臂天平和砝码，天平为木杆，杆端有两盘，还有以两为单位的九个砝码。182.时间、空间和运动①时间与空间宋代朱熹：“四方上下曰宇，往古今来曰宙。无一物似宇样大，四方去无极，上下去无极，是多少大？无一物似宙样长，亘古亘今，往来不穷。”空间为宇，时间为宙。战国时魏国的尸佼《尸子》“四方上下曰宇，往古今来曰宙。”19③运动的相对性《吕氏春秋》：“刻舟求剑”故事；《隋书•天文志》：“乘船以涉水，水去船不徙也”，“仰游云以观，日月常动而云不移”（晋代束皙xī262-301）。《抱朴子•塞难》：“见游云西行，而谓月之东驰”（晋代葛洪283-343）《春秋纬•元命苞》（汉代）：“天左旋，地右动”.《春秋纬•考灵曜（yào）》“地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭牖（yǒu）而坐，舟行而人不觉”。比伽利略（1564-1642）相对性原理早一千多年。②运动与静止《墨经》：“动，域徙也”“止，以久也”。这里‘以’停止的意思。“边际徙者，户枢免瑟”指转动；203对力的认识（1）力的概念※《墨经》：“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《墨经》中对不等臂天平的论述：“衡，加重于其一旁，必捶。权、重相若也，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。”21（4）.重心与平衡西安半坡仰韶文化（距今5000～6000年前）遗址出土的吸水陶罐：口小、腹大、底尖，两侧耳环稍低于罐的重心。西周及历代的欹（qī倾斜）器：又称宥（yòu,宽容）坐之器，形状同上。作用有二：①容器：《荀子•宥坐》记载孔子观鲁桓公庙时所说“吾闻宥坐之器者，虚则欹，中则正，满则覆”。②劝告之器：告戒人们行为和思想不可过或不及。王充《论衡》：圆物投之于地，是随遇平衡；方物及地，是稳定平衡；而山中处危峭之大石则是不稳定平衡。22（5）浮力：曹冲称象等。（6）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄127-200）。（7）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。”（8）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”234力学知识应用※尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓（duì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。※古代建筑学上力学的应用：如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。24公元前316年，蜀守李冰修建都江堰，“正面取水，侧面排沙”，其飞沙堰工程巧妙地利用了弯道环流，说明当时测河水流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平，成都平原二千多年来始终受益。25被中香炉是中国古代盛香料熏被褥的球形小炉。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。26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等待西方传入。271.火的利用※我国170万年前的元谋人已开始用火；※6000多年前的半坡人已经用火烧制陶器；※古人取火的三种方法：①摩擦、打击：钻木取火、火镰和火石取火等；②用铜制的凹面镜：即阳燧取火；③用硫磺摩擦取火：和19世纪欧洲发明的火柴（洋火）相似。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。282.对热现象和热本质的认识①温度、湿度极其测量※B.C.2000年，已有气温反常的记载※以感觉分级：冰、寒、凉、温、热。掌握了冰点和人或动物体温这两个较恒定的温度标准。《淮南子》：“睹瓶中之水而知天下之寒暑。”※湿度：《淮南子》：“琴弦缓，天且雨”“风雨之变，可以音律知之”，即现在毛发湿度计的原理.※“火候”：在烧制陶器和冶炼金属的过程中，通过对“火候”的观察，来定性的判断温度的高低。《考工记》记载了青铜冶炼时火色与温度的