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(一)概述

一、物理实验与古代物理学的发展

(一)概述

物理学的发展经历了从萌芽时期(古代物理学时期)到经典物理学时期再到现代物理学时期的发展阶段。在古代,亦即大约公元前七八世纪后,中国和希腊形成了东西方两个科技发展中心,科学已经以经验科学的形态从生产劳动中分化出来。但物理学还只是“自然哲学”的重要组成部分,人们主要是靠对自然现象和生产、生活很不充分的观察,以及简单粗糙的实验,直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性,物理学基本上还处在对现象的描述、经验的简单总结和思辨性的猜测阶段,实验的巨大作用还没有被充分认识到。尽管如此,在古代物理学发展的漫长历程中。

不论是在中国还是在外国,有许多人曾做过许多实验或进行观测,对实验现象作过各种解释或总结,也提出过种种理论,还制造出了不少仪器,他们对古代物理的发展起子积极的推动作用。

(二)外国发展中典型实例

1.古巴比伦人曾用“日晷”和水钟计时,还发明了梁式天平;古希腊人泰勒斯最早记录了摩擦过的琥珀会吸引轻小物体,天然的磁石具有吸铁的性质,阿里斯托芬曾有过用玻璃点火熔化石蜡的记录;欧几里德曾有过用凹面镜聚集太阳光试验的记述。

2.阿拉伯人阿勒·哈增曾做过圆柱面镜、球面镜、锥面镜的反射和折射实验,他还用一根带有五个秤盘的奇妙杠杆,测定在空气中和在水中物体的重量,发现空气也有重量和阿基米德定律在空气中同样适用,等等。

3.古希腊阿基米德(公元前约287—前212)和托勒密(约90—168)的实验。阿基米德对杠杆进行了实验和研究,总结出杠杆定律,即二重物平衡时所处的距离与重量成反比.他还发明了阿基米德螺旋提水器,井用滑轮做了许多实验。

4.杠杆定律的发现和应用在当时引起了轰动。阿基米德的另一个重要贡献是做了浮力实验,建立了浮力定律。他在《论浮体》一书中指出:“浸入液体的物体所失去的重量,就等于它排开的液体的重量。”这也是一个从实验总结为理论的定量实验。

5.托勒密曾用如图1.l所示的装置对光的折射进行了实验研究。在一个圆盘的中心S处装了两把可以旋转的尺子,将圆盘的一半竖直插入水中,转动商把尺子以便确定入射线和折射线的位置,从而测出入射角和折射角。用这样的方法托勒密测得了从空气射入水中的光线的一系列对应值。如:这些数据足够精确。他断言,折射角与入射角成正比,这个结论只在入射角很小的情况下才近似正确。遗憾的是,他并没有由此发现折射定律。

(三)我国发展情况简介 在我国,从古文献、古器物中可以看到我们古代祖先的许多关于物理实验和应用的记载。早在尧舜时代,我们的祖先就用“圭表”来观象授时,后又使用“日晷”,即利用日影位置的变化测量时间,至春秋时期已昔遭使用“刻漏”,利用水滴滴漏的方法来计时,我国在春秋时期的度量衡制已日趋完备,到了秦朝,我国的度量衡制得到了进一步发展和统一。  1.力学实验方面  据《墨经》所载,墨家就研究过圆球的随遇平衡问题,已初步认识了简单几何体的重心问题.半坡村出土的欹器(尖底双耳瓶)也说明了古人早就注意到了重心的作用。  对于测定固体比重的方法,《考工记》中就记载了用水浮法来进行定性的估测.对于液体比重的测定,最迟到东汉就已测出“水一升重十三两”(《后汉书·礼仪志》)。原始的液体比重计早在唐代《西阳杂俎》中就已有记载:莲子放在水中一定下沉,放在制盐用的咸卤中则能浮着。到元代陈椿(《熬波图咏》)把莲子放在4种浓度不同的卤水中浸泡,形成4种比重不同的莲子,然后将它们同时放入同一种卤水中,视其浮起来的数目多少来推断卤水比重的大小。这与现代的浮子式比重计原理基本相同。  《考工记》中“舆人为车”就记载了水平仪的雏型。到了北魏,水平仪已被配置在较精密的仪器上,如用铁铸成的浑天仪底板上设有“十字水平”,以校准仪器水平。对于浮力的认识,《墨经》中已指出物体所受的浮力是因为水被物体排开的缘故。晋代的《苻于》就已记载了利用水浮法称重的实例。(宋史·方技传)记载了利用浮力起重——打捞铁牛的实例。  对于简单机械,早在春秋时期就已有了使用权衡——天平与杆秤的记载。《墨经》中记载了墨家实验研究杠杆原理的做法;天平横梁的一臂加重物,另一臂必需加砝码,两者必须等重才能平衡,杆秤的提纽到重物的一臂比较短,提纽到秤锤一臂比较长,如果两边等重,秤锤一边必下落。到了周代史佚发明了杠杆和滑车的混合体——辘轳。  在声学实验方面,《墨子》中就曾记载了(运用固体传声和气腔共振)将两种稍有不同的坛埋入地以判断地下声源的方法。《庄子·杂篇》中就记载了当时在乐器制作后做过的很细致的共振实验。《异苑》中曾记载了张华(232—300)改变器物的固有频率以消除共鸣的方法.宋人沈括在《梦溪笔谈》  中记载了他所设计的世界上最早的用纸人演示共振的实验,“欲知其应者,先调其弦令声和,乃剪纸人加弦上,鼓其应弦,则纸人跃,他弦即不动。声律高低苟同,虽在他琴鼓之,应弦亦振,此之谓正声。”  2.热学实验方面  《考工记》中记载了利用凹球面镜对日聚焦取火。西汉《淮南子》己载了一种利用两个重量相同而吸湿能力不同的物体来验湿的天平式验湿器,书中还记载了“艾火令鸡于飞”的关于“热气球”的实验设计.唐代盛行的“马骑人物、旋转如飞”的走马灯,宋代的“走线流星”、“地老鼠”等“火箭”,都是利用热空气流直接推动的装置。  3.电磁学实验方面  早在《管于》、《吕氏春秋》、《三国志》中就有磁石能吸铁而不能吸铜等其他金属和非金属的记载.对静电力的研究,《春秋纬·考异断》就说“玳瑁吸褚”,三国时代发现“琥珀不取腐芥”.晋人《博物志》中记载了摩擦起电.在对磁性的进一步实验研究方面,西汉《淮南万毕术》记载了“慈石提棋”、“慈石拒棋”的磁体相吸、相斥现象,井介绍了鸡血中拌入磁粉和铁粉后晾干,以得到人造磁体的方法。汉代王充的《论衡·是应篇》记载了利用磁体指极性制造指南仪器“司南”.北宋初年《武经总要》记载了用“地磁感应法”制作人造磁体,以及将“司南”改为“指南鱼”的方法。沈括的《梦溪笔谈》记载了“以磁石膳针锋,则能指南”的“摩擦传磁法”,以及对“指南鱼”进行了实验改进,发现了指南针的四种支悬方法,如图1.2所示。  4.光学实验方面  古人曾做过大量的较系统的研究。《墨经》中阐述了影的成因,本影、半影的生成,反射成影及影的大小的变化规律,记载了小孔成像,光的反射,平面镜、凸面镜、凹面镜反射成像以及像的大小、像的正倒与位置的实验。《墨经》的光学(和光学实验)比欧几里德光学还早一百多年。西汉《淮南万毕术》记载了“高悬大镜,坐见四邻”的潜望镜雏形,以及以冰来制作凸透镜用以对太阳聚焦取火。沈括在《梦溪笔谈》中记载了研究针孔成像、凸面镜、凹镜成像规律的实验。  这里特别要指出的是,宋末元初的赵友钦在《革象新书》中记载了对光的针孔成像和照度进行的  设计巧妙的大型实验研究,如图l.3所示。他以楼房为实验室,在楼下左右两房间地面上挖两个圆井,井深分别为8/3 m和4/3 m。左井中可放一个4/3 m高的桌子。井底(或桌面上)可放1000多支蜡烛做光源。井口可分别用中心开孔的木板加盖。楼板下挂两块大木板为固定像屏。实验可分为五个部分。  (1)光源、小孔、像屏三者距离保持不变。孔径有大小之别,可见两个像大小一样,但浓淡(照度)不同。  (2)利用针孔成像来模拟日月蚀,并表明针孔所成之像为倒立像。  (3)改变像距,研究像的大小与照度随像距而变化的规律,实验得到照度随光源的强度增加而增加,随距离的增加而减小(在西方,400年后才由德国科学家兰伯特得出照度跟距离平方成反比的定律)。  (4)改变物距,实验表明物距变大。像变小变狭,但变浓。  (5)改变孔的大小和形状,研究大孔成像与小孔成像的区别。  赵友钦的这一大型实验可以说在世界物理学史上是首创的。  (四)物理实验的特点  综上所述,在古代物理学的发展中,中外物理学先驱者们的大量的实验工作,不管是从系统的观测和记录方面来看,还是从在人为条件下重复物理现象,确定量度标准和仪器、制造实验和观测仪器等方面来看,都可称之为物理实验。其中,阿基米德的浮力实验、托勒密的光学折射实验、赵友钦的小孔成像和照度实验等,甚至可称之为卓越的物理实验。  在这一时期物理实验的特点是:①零星不系统,②定量实验较少、定性实验较多,③多数实验仅限于现象的描述或一般的解释,没有进行归纳而形成系统的理论,④没有用实验来检验已有的理论。  由此可见,在这一时期的实验方法和实验的科学思想水平还是较低的,这就使得物理学还没有真正走上科学的道路。




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