中国古代物理实验具有的特点分析

物理学是一门以实验为基础的学科,在物理学发展过程中,实验占据重要的位置。如果缺乏实验基础,物理学很难有重要发现。中国古代很多科学家提倡物理实验,主张以实验来验证自然现象,辨别事物的真伪。据我国东汉时期的王充在其着作《论衡乱世篇》记载:此尚因缘昔书,
阅读技巧Ctrl+D 收藏本篇文章
摘要

  物理学是一门以实验为基础的学科,在物理学发展过程中,实验占据重要的位置。如果缺乏实验基础,物理学很难有重要发现。中国古代很多科学家提倡物理实验,主张以"实验"来验证自然现象,辨别事物的真伪。据我国东汉时期的王充在其着作《论衡·乱世篇》记载:"此尚因缘昔书,不见实验",在《论衡·招虎篇》说:"等类众多,行事比肩,略举较着,以定实验也。"[1]31这里的实验指"效验"、"验证"之意。除了王充,明末清初的学者方以智在其所着的《物理小识·自序》中指出:"物有其故,实考究之,大而元会,小而草木蠢蠕,类其性情,征其好恶,推其常变,是曰质测。"[1]32这里的质测也是指实验。还有清朝学者包世臣为郑复光着的《费隐与知录》写的序言中指出:"及其既说而目验之。"[1]32这些都是中国古代文献对于实验的记载。从历史发展的角度来看,中国古代的物理实验不像古代西方的实验,尤其是古希腊实验那样建立在观察实验和数学演绎的严密逻辑体系基础上。与之相比,中国古代实验具有自己独特的特点。

  1 注重直接观察

  物理学是一门观察的科学。观察是物理学重要的基础,伟大的科学家爱因斯坦说过:"理论所以能够成立,其根据就在于它同大量的单个观察关联着,而理论的'真理性'也正在此。"[2]1中国古代的物理学研究,注重直接观察实验,尤其是实验仪器和设备匮乏的古代,直接观察是所有实验的基本方法。如对热现象的认识为例。《管子·轻重戊篇》中记载:"燧人作钻燧取火,以熟荤臊。"《庄子·外物篇》:"木与木相磨则燃。"汉代《淮南子·说林训》:"槁竹有火,弗钻不焦。"清代方以智《物理小识》:"取火于竹,以干竹破之,布纸灰而竹瓦覆上,竹穿一孔,更以竹刀往来切其孔上,三四回,烟起矣。十余回,火落孔中,纸灰已红。"[3]25这都是古代文献中记载的利用直接观察法得到运用两物体之间的摩擦运动生火的原始方法。利用古代还使用聚光的方法来生火,如东汉时期人们已经意识到凹形的金属反射面可以集聚太阳光生火。
  
  《周礼·秋官》上书:"司烜氏掌以夫燧,取明火于日。"西汉时期的《淮南万毕术》记载透镜取火方法:"削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生。"还有魏晋时期《太清金液神丹经》中记载利用天然晶体聚光取火的方法:"又有火珠,大如鹅鸭子,视之如冰,着手中洞洞,如月光照人掌,夜视亦然。以火珠白日向日,以布艾属之承其下,须臾见光火从珠中直下,洒洒如屋溜下物,勃然姻发火乃然,犹阳燧之取火也。"大约在唐代末期,就发明了利用硫磺与烬火摩擦的引火法,五代陶谷《清异录》记载:"有智者批杉条,染硫磺,置之待用。一与火遇,得焰穗燃。既神之,呼为引火奴。"[3]28这种生火方式极其类似于近代火柴,在西方,1680 年英国化学家波义耳才发现了用涂有硫磺的小木棒与含有磷质材料的纸摩擦燃火方法,从而产生了近代火柴。

  我国古代的实验大多是利用日常生活中经验和直接观察,进行实验的结果。并没有把这些实验进行进一步的原理总结和理论深化,缺乏严密的逻辑、深层次理论分析和归纳原理。

  2 注重观赏性

  中国古代实验和古希腊的实验比较,更具有观赏性,整个实验过程给人美感。在西汉时期的《淮南万毕术》中记载了关于"艾火令鸡子飞"的实验。"取鸡子去壳,燃艾火内空中,疾风高举,自飞去。"和"取鸡子去其汁,燃艾火内空卵中,疾风,因举之飞。"[3]34这其实就是利用热气体对流原理做的模拟实验。把鸡蛋去壳或者剩下外壳,两种方法都是让壳内燃烧艾草,使壳内的气体受热膨胀,古人按照热气体对流的原理做的模拟实验。孔明灯就是受到"艾火令鸡子飞"的实验发明的,在现代社会孔明灯成了夜空中可供观赏和欣赏的一道风景。欧洲到了 17 世纪才有类似鸡蛋升空的实验。
  
  再如中国古代的色散现象的实验,唐代道士张志在《玄真子》外篇中记载了人造彩虹的实验:"被日喷乎水,成虹霓之状。"[3]69唐代经学家孔颖达也曾指出:"云薄漏日,日照雨滴则虹生。"[3]69这些模拟彩虹产生的实验,给人以美感。再如镜面成像的实验,中国道教的教士在修炼时,利用多面镜子组合成像形成形影难辨的虚幻效果。五代的道士谭峭描述了这种用多面镜子组合成像的虚幻情境:"以一镜照形,以余镜照影,镜镜相照,影影相传。不变冠剑之状,不夺黼黻之色。是形也,与影无殊;是影也,与形无异。乃知形之非实,影之非虚,无虚无实,可与道俱。"(《化书》)像这样镜像组合的例子在中国古代还很多,佛家也曾应用这种镜像组合与烛光形成佛影交相辉映的美妙境界。在中国古代这样的观赏性实验还很多,这里就不一一列举。

  3 注重实用性

  和古希腊的科学实验相比,中国古代的实验更符合统治阶级的需要,更注重于运用,具有实用性,缺乏对科学原理的归纳和总结。例如:在古代历代统治者都喜欢看歌舞演奏,因此而注重音律研究,在中国古代人们发现琴弦的发音会随着温度和湿度而变化。《淮南子·本经训》中记载"风雨之变,可以音律知之"[3]36.在西汉人们就已经知道了气候的变化会影响音律变化。为了更好地掌握空气湿度的测量,最早的空气验湿气记载在汉代的《淮南子·天文训》中:"阳气为天,阴气为水。水胜,故夏至湿;火胜,故夏至湿;火胜,故冬至燥。燥故炭轻,湿故炭重。"[3]36这是利用炭的质量变化制成的天平式验湿器,表现出中国古代实验和实用性特征。欧洲直到 15 世纪才有利用羊毛等材料制成的验湿器。

  谷应泰在《明史记事本末》中介绍了徐有贞 1453 年受命往山东张秋治水时做的一个实验:"初,有贞方鸠功,有言沮者,上使中使问之。有贞示以二壶,一壶之窍一,一壶之窍五,注水二壶,五窍先涸。中使还报上,上惟有贞之所为。"[4]
实验用开一大孔和开五小孔的两把盛有同体积水的壶,大孔面积等于五小孔面积之和,开小孔的壶中的水先流完。实验的目的是为了证明对黄河分河疏流的合理性。

  在《三国志·魏书》中记载了曹冲称象的故事,曹冲"置象大船之上,而刻上其水痕所置,称物以载之,则校可知矣。"[5]曹冲解决了称象以后,就再没有进行理论的总结和深化,在中国古代还有很多在应用浮力定律原理上的异曲同工,却没有关于浮力定律的记载。浮力定律最早的提出者是古希腊的着名物理学家阿基米德,阿基米德在解决国王新制的金制王冠是否掺入银子这一难题时,发现了浮力定律,皇冠问题解决以后,阿基米德就建立了以他的名字命名的重要定律阿基米德定律,并记载在他的着作《论浮力》中。由此可知,和古希腊的科学实验相比,中国古代科学实验更注重实用性,缺乏普遍理论的总结和归纳。

  4 注重趣味性

pc蛋蛋   中国古代的实验还具有趣味性的特点,这些实验构思奇特,设计巧妙,如迎风转秫的实验,《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。"[6]1实验原理就是利用风能去推动秫秸转动,在逆风行走的过程中,高粱秆快速转动,如飞轮状,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。又如《汉书·王莽传》记录了着翼起飞的人类第一次滑翔飞行实验:"取大鸟翮为两翼,头与身皆着毛,通引环钮,飞数百步堕。"[6]1这是一个模拟鸟飞行的惊险有趣的实验,也充满了趣味性。在中国古代像这样充满趣味性的实验还很多,与古希腊的科学实验相比,古希腊更注重推论实验,尤其是阿基米德的科学实验,在观察基础上与欧几里得的几何学相结合,加上逻辑推理,形成了西方体系中的几何演绎实验法。相比较趣味性不如中国古代实验浓厚。

  5 对物理教学的启发

  在物理教学中,教师讲授物理学知识和指导学生进行实验时,将中国古代物理学实验的特点运用在其中,对于培养学生的观察检验能力,理论知识的运用能力和激发学习兴趣等具有重要作用。

  首先,在物理教学中注重直接观察,有利于培养学生的观察检验能力。

  物理学是一门注重观察实践的科学,在物理教学中,尤其在实验中注重培养学生的观察能力,让学生通过直接观察,获取真知。例如:在惯性秤的实验教学中考察重力对惯性秤的影响时,可以先让学生观测秤台竖直放置时较水平放置周期变化,再用理论解释观察到的现象[7].让学生通过直接观察,去探究、实践,获得科学结论。

  其次,在物理教学中注重实用性,有利于增强学生理论知识的运用能力。物理学是一门和日常生活现象紧密相连的科学,学生可以将课堂上学到的理论知识应用于生活和周围环境,实现理论知识的实用性。例如:研究不同材质的传热性能,研究电冰箱内外的温度差与所耗电能的关系,研究如何使纸飞机飞得更高等实用性较强的问题[8]75.

  最后,在物理教学中注重观赏性和趣味性,有利于激发学生的学习兴趣。在物理实验教学中注重实验的观赏性和趣味性,利用新奇有趣的演示实验,激发学生的新鲜感,培养学生的学习兴趣。例如:用鸡蛋代替钢球使惯性实验变得惊险;在物体沉浮条件实验中,观察鸡蛋在不同液体中的沉浮情况;将气球压在钉子床上,使压力的作用效果实验奇妙有趣,这些实验都能激发学生的学习兴趣[8]73.

  参考文献
  [1] 许中才。中国古代"物理实验"初探[J].渝州大学学报:自然科学版,1989(4):31-36
  [2] 程九标,张宪魁。物理学发现的艺术[M].青岛:中国海洋大学出版社,2003
  [3] 胡化凯。物理学史二十讲[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009:28
  [4] 粟新华。中国古代趣昧物理实验十摘[EB/OL].(2007-11-09)[2015-02-20].
  [5] 张瑶,傅在琦。从浮力定律看近代中国科技落后的原因[J].昭通师范高等专科学校学报,2008(5):37-39
  [6] Liuxinyuan2012.中国古代趣味物理实验大集合[EB/OL].(2013-06-24)[2015-02-20].
  [7] 张瑶,朱琳,吴文良。试论物理学发展中的理论预言和观测[J].昭通师范高等专科学校学报,2012(5):39
  [8] 魏日升,张宪魁。新课标中学物理教材教法与实验[M].北京:北京师范大学出版集团,2013:73-75

    转载请注明来源。原文地址:http://www.stywl.com/html/zhlw/20190830/8189793.html   

    中国古代物理实验具有的特点分析相关推荐


    联系方式
    微信号 xzlunwen
    热点论文
    14705193098 工作日:8:00-24:00
    周 日:9:00-24:00