中国古代趣味物理实验拾零（1 / 2）

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。

关键词：古代，趣味物理实验，拾零

1、前言

中华民族是一个酷爱实践的民族。在中国古代，人们十分重视用实验去研究和检验物理现象与规律。这些实验构思奇特，设计巧妙，它们在漫长的岁月中经受了历史的考验，至今仍然光彩艳丽。不过，物理学在古代不是一门独立的学科，其资料散布极其广泛，收集起来并不容易。本文从“趣味性”角度出发，从各种典籍中选出一些物理实验予以介绍，目的在于了解当今趣味物理实验发展变化的历史背景。

２、“虚管悬液”实验

唐代王冰（生卒年代不详）注解《黄帝内经素问》时指出：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也。”[1]

意思是：用手指捏住空管的一端，将管中灌满水后倒过来，水不会从管中流出。因为外面的空气不能进入管中，所以管里的水不会流出来。

这就是“虚管悬液”实验，它证明了大气的存在：当管中充满水，水压小于或等于大气压，水就“悬”在管中。这个实验是从“瓶子倒水”实验演绎过来的。早在南北朝成书的《关尹子》一书就已指出：“瓶有二窍，水实之则倒泻，开一则水不下，盖不升则水不降。”[2]

意思是：在密封的瓶上开两个小孔，瓶中灌满水，水不会从瓶中倒出。若只在瓶中开一个小孔，水是倒不出来的。因为此时空气不能在瓶中对流。

这个实验，今常有教师在课堂演示，讲到大气压作功时，其实验就用“试管履行”来演示。

３、“瓶子喝水”实验

利用大气作功使瓶子“喝”水，这个实验见宋代俞琰（1258—1314）所写的《席上腐谈》一书：“剧烧片纸纳空瓶，急覆于银盆水中，水皆涌入瓶，而银瓶铿然有声，盖火气使之然也。又依法放人壮夫腹上，挈之不坠。”[3]

将剧烈燃烧着的纸片放入空瓶中里，迅速将瓶倒扣在装有水的银盆中，水就会涌进瓶里，并且铿然有声。这是火气引起的缘故。按这种办法把瓶扣在人腹上，瓶子会吸住腹肌而不坠落。

很明显，纸在瓶中燃烧，瓶内空气膨胀，空气从瓶中“跑”掉一部分。把瓶扣在水中，氧气燃尽，火焰也就熄灭，此时瓶内温度降低，压强减小，瓶外空气压迫盆里的水涌入瓶中。记载中尽管没有说明这是大气作用的缘故，但能指出“盖火气使之然”，这在当时已是了不起的事情。

记载大气作功的实验有许多，还在先秦时期，我国就用角法（今拔罐疗法）治病了，可见“瓶子喝水”实验并不“年青”。当今人们选择泡菜坛子，先在坛外沟槽中倒水，然后把燃烧的纸片丢进坛中，盖上坛盖，看沟槽中水是否被吸入盖内或坛腹，以此判别坛子是否漏气。其检测原理就是“瓶子喝水”的实验原理。

４、“纸人共振”实验

北宋科学家沈括（1031—1095）在《梦溪笔谈》中指出：“欲知其应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。”[4]

沈括的意思是：要想知道某一根弦的应弦，可以先把各条弦的音（依五音声阶）调准，然后剪纸人放在这根弦上。这样一弹它的应弦，纸人就会跳动，弹其他弦，纸人则不动。

这就是著名的“纸人共振”实验。所谓共振，是指一个物体振动的时候，另一个物体也随着振动的现象。发生共振的两个物体，它们的固有频率一定相同或成简单的整数比。如弹动“哆”弦，别的“哆”弦也动，弹动“咪”弦，别的“咪”弦也动。

其实，早在沈括以前，就已经有人做过“瑟弦相应”实验，战国时庄子（前365—前286）在他的著作中就提到一个叫鲁遽的人：“为之调瑟，废（置）于一堂，废于一室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。”[5]只不过“纸人共振”实验更为直观和有趣罢了。

５、“铜瓮雷鸣”实验

西汉刘安（前179—前122）在《淮南万毕术》中云：“铜瓮雷鸣。”其注曰：“取沸汤置瓮中，坚塞之，内于井中，则作雷鸣，闻数十里。”[6]

意思是：把开水倒进铜瓮里（但勿倒满），将铜瓮密封后丢入井中，声似雷鸣，数十里也能听到。铜瓮怎能“雷鸣”？原因可能有两种：第一，铜瓮在下沉过程中，瓮内水面之上蒸气遇冷降温凝结，压强减低，水的沸点随之降低，水再次沸腾作响，这是“遇冷反沸”现象；第二，若瓮壁极薄，当瓮内压强降低时，受大气压加水压的作用，铜瓮向内破裂，造成爆炸，声似雷鸣。

上述两种现象，不管是“遇冷反沸”还是“压缩爆炸”，都是通过空气冷凝的方法达到做功的目的。现中学演示“压缩爆炸”实验已用铁皮盒替代铜瓮，实验时因条件限制不在水中而在空气中进行。至于“遇冷反沸”，则是将烧瓶内水烧开后稍冷却，再在瓶外浇冷水降温减压来实现。

６、“循烟燃烛”实验

姜岌（生卒年代不详）在《续古文苑》一书中向我们介绍了一个有趣的实验：“今燃一烛在上，一烛在下，灭下烛使烟相当，则上烛之炎，循烟而下，燃下烛矣。此类相从也。”[7]

意思是：现在让我们点燃两支蜡烛，一支放在上面，一支放在下面，将下烛的火焰吹灭，使它产生的烟雾正好对着上烛的火焰。此时，上烛的火焰会沿下烛烟雾传递过来把下烛点燃。这是因为固态的蜡烛和气态的蜡蒸气都属于同一种物质。

在中学物理实验活动课中，我们常演示“隔桥飞火”、“火外生枝”这两个实验，它们是从“循烟燃烛”中派生出来的。

７、“首泽浮针”实验

《淮南万毕术》云：“首泽浮针。”其注云：“取头中垢，以涂塞其孔，置水即浮。”[8]张岱（1597—1667以后）在《夜行船》中指出：“取头垢涂针，及塞针孔，水上自浮。”[9]

上述两种解释，前一种仅指出用头垢涂塞针孔，后一种则还指出应将头垢涂针。其实，将头垢涂针才是最重要的。

通常，将比重大于水的物体放在水中，它会沉入水底，因为此时物体所受重力大于水对它的浮力。但由于液体具有表面张力，如果把象绣花针那样小的物体小心地投放水面，针也能由于水的浮力以及表面张力的作用而不沉下。取头垢涂针，把针平放在水面上，头垢中油脂会在水面扩散，以增大水的表面张力，实验更容易成功。

“首泽浮针”，这是一个非常有趣的实验。明代刘侗（生卒年代不详）、于奕正（生卒年代不详）在《帝京景物略》中记载：我国古代妇女常于每年农历7月7日进行“丢针”这种娱乐活动。既锻炼技巧，又增长知识，真是其乐无穷。

、“水中游蝌”实验

宋代苏轼（1037—1101）在《物类相感志》中写到：“獐脑黄蜡和匀染黑，投水中作蝌蚪，自然水中走动。但欲洁净，用了油手指则住。”[10]

这个实验中的“獐脑”是否为“樟脑”（萘），染黑材料为何物，笔者尚不清楚，故原理不明。不过我们现在常做下面两个实验，它们与水中游蝌有相似之处，对了解“水中游蝌蚪”实验原理用会有帮助。

实验一：“盆中行船”

用保安刀片削制一个约3厘米长的小船，在船尾切一个“V”形切口，在“V”形切口中嵌入一片小肥皂，将小船放入倒满水的澡盆中，小船会自动向前航行。

这是一个利用水表面张力做功的实验，肥皂在船尾慢慢溶化，使小船后面水的表面张力小于船头的表面张力，船头所受水的拉力大于船尾水的拉力，所以船缓缓向前移动。

实验二：樟脑沉浮

在一支盛有醋酸溶液的试管中放入几粒碳酸钠（石碱），把一粒樟脑丸放入试管里，它会忽沉忽浮。

樟脑密度略大于醋酸溶液，它会在醋酸溶液中下沉，但加入碳酸钠后，碳酸钠和醋酸发生化学反应而产生二氧化碳气体，这些气体有的以气泡的行式附着在樟脑丸上。因气体密度比水小得多，所以随着附着在樟脑丸表面的气泡增加，樟脑丸和气泡这一整体的密度反而小于液体密度，因此，樟脑丸便浮了起来。樟脑丸到达液体表面，附着在樟脑丸表面的气体散失，气泡减少，樟脑丸又会下沉，如此反复，十分有趣。