水在中国古代物理实验中的妙用参考资料 .doc

水在中国古代物理实验中的妙用 粟新华 （邵阳师范高等专科学校，湖南邵阳，422000） 摘要 在中国古代，水既是物理实验观察和研究的对象，也是物理实验材料，有时还能成为实验器件。该文从实例出发，叙述了水在中国古代物理实验中的妙用。该文提到的这些用水进行物理实验的方法和技巧，对研究中国古代科学具有很大参 考价值。 关键词 水，物理实验，妙用 中图法分类号 04-092 文献标识码： Ａ 在中国古代，人们普遍重视水的利用。以物理实验为例，研究水或应用水的实验，估计在40 %左右，这些实验构思奇特，设计巧妙，其成果广泛用于生产实际，为后人提供了不少科学方法和技巧，对了解物理现象、探讨物理规律、提高物理研究水平有不可低估的作用。为此，本文从实例出发，探讨中国古代怎样用水进行物理实验的问题。 1 以水为对象观察物理现象 水是生命之源，凡是有生命的地方，一定有水存在。以水为对象去了解客观世界，这是人类的重要课题，物理学的研究也如此。中国古代人们为此付出了艰苦努力，取得令人瞩目的成果。 1·1 水瓮放水实验——水流量的观察 “徐有贞张秋治水，或谓当浚一大沟，或谓多开支河。乃以一瓮窍方寸者一，又以一瓮窍之方寸者十，并实水发窍，窍十者先竭。”[1] 这是一个研究小孔出流的实验：取两个形状一样、容积相等的水瓮，在一个水瓮中开一个一寸见方的大孔，在另一水瓮中开十个小方孔，十个小方孔的开孔面积与大孔开孔面积相等；将两瓮灌满水后同时让水从瓮中孔口流出，开有十孔的那一水瓮里的水先流完。这个实验，在《明经世文编》、《明史纪事本末》、《明通鉴》中均有记载，只是在实验起因、开窍数目、窍的大小是否确定等叙述上稍有差异，但实验结果完全相同。该实验用对比法演示了在开孔面积相等的情况下，开孔数目多，流量就大的现象。从而有力地证明在分河疏流中多开支河比浚一大沟易于排水的问题。在中国古代，人们不仅能够测量小孔出流的质量，而且还能应用小孔出流质量去测定其他量值,如秤漏计时,就是根据小孔出流质量的多少去测定时间的，是一种流水计时法。 1·2 瀹茶煎水实验——水沸腾的观察 “汤有三大辨十五小辨，一曰形辨，二曰声辨，三曰气辨。形为内辨，声为外辨，气为捷辨。如虾眼、蟹眼、鱼眼、连珠皆为萌汤；直至涌沸如腾波鼓浪，水气全消，方是纯熟。如初声、转声、振声、骤声皆为萌汤；直至无声，方是纯熟。如气浮一缕、二缕、三四缕及缕乱不分，氤氲乱绕，皆为萌汤；直至气直冲贯，方是纯熟。”[2] 这是一个观察水沸腾的实验。水被加热时，气浮一缕、二缕、三四缕，此为蒸发。临近沸腾时，气则缕乱不分，氤氲乱绕。此时，从水中冒出一个个气泡，这些气泡随水温升高逐渐变大，在经历了如虾眼、蟹眼、鱼眼的过程后，水便涌沸如腾，气直冲贯。这是运用形辨法和气辨法观察到的结果。此外还有声辨法：水被加热到一定程度会发出声音，其声响变化依次为初声、转声、振声、骤声，水沸腾后，也就几乎听不到声音了。《鹤林玉露》中有一首诗：“砌虫唧唧万蝉催，忽有千车捆载来；听得松风并涧水，急呼缥色绿瓷杯。”[3]指出水初沸时如虫声唧唧同呜，又如万蝉齐噪。二沸如同千辆重载大车驶过。到了松涛骤起，涧流喧豗，已是三沸，应即注入放好茶末的绿瓷杯中。古人的观察，何等认真与细致！ 1·3 滴水入油实验——水汽化的观察 晋代张华在《博物志》上说： “煎麻油，水气尽，无烟，不复沸则还冷，可内手搅之，得水则焰起，散卒而灭。此亦试之有验。”[4] 这是一个有关汽化的实验。油水混合物在受热过程中，由于沸点不同，水先沸腾，犹如冒“烟”。当水汽化完毕，则“无烟”。加热停止，油不再沸腾，此时如加水，由于油温尚高，水即急极汽化，又见“焰起”；汽化完毕，也就“散卒而灭”了。该书还写到：“烧白石作白灰，既讫，积著地，经日都冷，遇雨及水浇，即更燃烟焰起。”[5]以上记载尽管都把上升的水汽、烟、焰三者混淆，但实验和观察过程仔细，记载具体，这是难能可贵的。 1·4 卤水比重测量——液体浓度观察 “予监台洲社渎盐场，日以莲子试卤，择莲子重者用之。卤浮三莲、四莲、味重；五莲、尤重。莲子取其浮而直，若二莲直，或一直一横，即味差薄。若卤更薄，即莲沉于底，而煎盐不成。闽中之法，以鸡子、桃仁试之，卤味，重则正浮在上；咸淡相半，则二物俱沉。与此相类。”[6] 浓度不同的液体，其比重也不相同。远在唐代，段成式就在《酉阳杂俎》指出：莲子放入水中一定下沉，放在制盐用的咸中则能浮着。测量卤水比重，通常用水浮法进行。这种实验在宋人写的《物类相感记》、《太平环宇记》以及明人写的《夜航船》、《菽园杂记》均有记载。但记载最别致的当数元代陈椿，他在《熬波图咏》中指出：“莲管之法：采石莲先于淤泥内浸过。用四等卤分浸四处：最咸卤浸一处，三分卤一分水浸一处，一半卤一半水浸一处，一分卤三分