第23课领先世界的科学技术

学习规划【学习目标】知道祖冲之最早把圆周率的数值推算到小数点后七位，叙述祖冲之推算圆周率的史实。知道《水经注》《齐民要术》是中国古代地理学、农学的重要著作。知道三国两晋南北朝时期我国的数学成就领先世界，了解我们祖先的聪明才智，增强民族自豪感。【重点难点】本课的重点是祖冲之的圆周率等各项科技成就。祖冲之的数学成就长期居于世界领先地位；《齐民要术》所反映的我国古代以农业立国的特点，以及对后世农业发展的影响；《水经注》对我国山川地形、城市乡镇、风俗民情、物产矿藏的叙述。名师伴学【情景导学】三国两晋南北朝时期是我国历史上社会大动荡时期。一方面，统一的封建国家分裂了，这一历史时期充满战争和灾难；另一方面是出现了中国历史上人口大迁徙。北方黄河流域由于少数民族内迁，加速了民族大融合，促进了经济的发展与交流；由于北方人民的南迁，又导致了江南的进一步开发，全国经济重心南移。魏晋南北朝时期的这些特点，必然反映到文化上，我国的科学技术、文学艺术又有了新的发展，取得了新的成就，其中有些在世界上居领先地位。【名师导学】一、祖冲之和圆周率祖冲之，祖籍范阳遒县，大约在西晋末年时，先世从范阳迁居江南。他的祖父和父亲都以学识渊博、谙熟天文历法和算术著称。祖冲之从幼年起便秉承家传的天算之学，并对文学、哲学等极感兴趣，成年后以博学多才闻名。宋孝武帝即位后，将他召入皇家的学术机构华林学省。祖冲之利用华林学省的优越条件，刻苦钻研学问，为日后的科学发明打下了坚实的基础。后来，他历任娄县令、谒者仆射等官职，南齐时，官至长水校尉，但仍孜孜不倦地从事科学研究。经过长期的努力，终于成为一位在数学、天文历法、机械制造等方面都做出杰出贡献的伟大科学家。圆周率是圆的周长与直径的比率（=……）。圆周率是否精确，关系到天文、历法、建筑、水利等许多方面的发展水平。世界各国都在探求更精密更准确的圆周率。在数学发展史上，圆周率计算的精密程度，可以作为衡量一个国家数学发展水平的标志。在探索圆周率的精确值方面，每前进一步，都是很不容易的。祖冲之在吸收前人研究成果的基础上，继续前进。他记起小时候读过的一本古代算书，说圆的直径假如是1尺，圆的周长就是3尺，即圆周率是3。为亲自验证是否正确，他用绳子绕车轮转一周，量出长短，又量了车轮的直径，结果发现周长并不正好是直径的三倍，而是比三倍多一点。他读了三国时数学家刘徽的文章，认为用刘的“割圆术”再往下割，一定能算出比刘徽更准确的数来。于是他和儿子动手干起来。他们把地磨平，画了一个直径一丈长的大圆，开始割圆，从六边到九十六边，算的结果与刘徽一样。继续割下去，192边、384边、一直到12288边形。他用“割圆术”这一巧妙方法，求出圆内接正多边形的边长。多边形的边数越多，越接近圆周的长度。他求出圆周率的“朒数”(不足近似值)为,“盈数”(过剩近似值)为，指出圆周率的真值在盈、朒两限之间，即<π<之间。这样，祖冲之实际上已将圆周率计算到小数点后第八位，精确到第七位，这是当时世界上最先进的成就，直到15世纪，阿拉伯数学家卡西和16世纪法国数学家F．韦达才得到更精确的结果。此外，他还确定了两个分数形式的圆周率，即“约率”22/7,“密率”355/113，其中密率是分母小于1000条件下圆周率的最佳近似分数。祖冲之的推算，在只能采用割圆术及依靠算筹进行运算的当时，是一项十分艰巨而复杂的工作，如果没有娴熟的技巧、顽强的毅力和严谨的科学态度，是根本不可能做到的。祖冲之求出的密率也是世界数学史的一大贡献，在欧洲，直至16世纪末，德国科学家奥托和荷兰工程师安抚尼兹才先后得出相同的数值。西方数学界不知道祖冲之的成果，常称这一数值为“安抚尼兹率”。为此，著名的日本数学家三上义夫曾建议将355/113这个数值称为“祖率”。祖冲之还和儿子祖暅(geng)之圆满解决了球体积的计算问题，得到正确的球体积公式，并且提出后人所称的“祖暅原理”。这也比欧洲人发明的方法早一千多年。据史书记载，祖冲之对用二次、三次代数方程以求得“开差幂”和“开差立”的问题，也有所研究。此外，祖冲之还注释过《九章算术》，编写了《缀术》。《缀术》共有6卷，是其数学研究的代表作，在唐代被列为国学中算学科的主要课本，学习年限长达4年。政府举行算学考试时，多从《缀术》中出题，其重要可想而知。12世纪时，日本和朝鲜也将《缀术》作为教科书。可惜此书在北宋中期以后失传了。在天文历法方面，祖冲之也有杰出贡献。他在长期实测、精确计算和对历史文献进行深入研究的基础上，于宋孝武帝大明年间编制出一部新历法，史称《大明历》。462年，祖冲之上书要求刘宋政府颁布实行《大明历》，但遭到当时倖臣戴法兴的攻击。他认为祖冲之引进岁差、改革闰周等违背了儒家经典，责备祖冲之是“诬天背经”。祖冲之针锋相对地写了一篇辩驳的奏章。他表示了“愿闻显据，以核理实”，“浮辞虚贬，窃非所惧”的鲜明立场，并且用科学道理回答了戴法兴的责备。他用观测事实证明，由于岁差，当时所见的天象确实已和儒家经典中所反映的春秋以前的情况不同，而回归年的长度也的确比《四分历》的要小。这些天文事实都是“有形可检，有数可推”，人们不能“信古而疑今”。《大明历》的一大进步是首次将“岁差”的概念引入了历法。所谓“岁差”，是指太阳从上一年冬至日运行到下一年冬至日，在天空上的位置移动距离。过去都认为，太阳在冬至日的位置是永远不变的，实际上经过一年的运行，太阳并没有回到原来的冬至点上，而是差了一段微小的距离。东晋的天文学家虞喜，首先发现“岁差”现象，并算出每50年西移一度。然而，这一成果一直未被引入历法，因而造成了推算日、月蚀日期的误差。祖冲之经过实测和计算，证实了虞喜的发现，作出“日不独守故辙”的结论，求得自己的“岁差”数值，并引用到《大明历》中。经过元嘉十三年(436年)至大明三年（459年）23年间4次月蚀的检验，证明《大明历》的推算是正确的。在此基础上，祖冲之测定了“回归年”，即两年的冬至点之间的时间，是日，这与现代天文科学测得的时间，仅差46秒。一年的相对误差只有六十万分之一，在当时，已可谓十分缜密了。《大明历》的另一重要进步是改革了闰法。阴历比阳历大约少11天左右，在以往的历法中，一直采用置闰月的方法来调整。我国最早的闰法是在19年中安排7个闰月。这个办法尽管已沿袭了一千多年，但与实际情况还有出入，平均每过200年就会相差一天。祖冲之经过反复计算，提出了在391年中置144个闰月的新闰法，大大提高了历法的精确度。他还测定一个“交点月”（即月球连续两次经过黄道和白道的同一交点所需的时间）为日，这与现代测得的数值相差不到一秒。祖冲之还发明了用圭表测量冬至前后若干天的正午太阳影长以定冬至时刻的方法，这个方法也为后世长期采用。祖冲之在机械方面也有很多发明创造。他曾因诸葛亮有“木牛流马”，而制造了一种类似的交通工具，不用借助风力水流，可“施机自运，不劳人力”。又发明了一种“千里船”，在新亭江试行时，每天能行百余里。他还设计制造出一种利用水力推动的“水碓磨”，能同时舂米和磨面。刘裕攻灭后秦时，曾缴获了一辆指南车。但此车仅存外形，内部的机械已经损坏。后来祖冲之将车修复，并将车中的机械由原先的木制改为铜制，使它的精密度和灵敏度都有很大提高。试验后，证明此车轻便灵活，结构合理，即使百转千回，木人始终指向南方。他还设计制造过计时器——漏壶和巧妙的欹（qi）器。祖冲之以他的发明创造，为中国的科学文化增添了绚丽的光彩，并在世界科学史上占有显著的地位。为了纪念和表彰他的卓越贡献，紫金山天文台己将该台发现的一颗小行星命名为“祖冲之”，国际天文组织也将月球背后的一座环形山命名为“祖冲之环形山”。此外，祖冲之还精通音律，甚至还曾经写过小说《述异记》十卷。二、贾思勰和《齐民要术》《齐民要术》是南北朝时期的一部重要农书。北魏贾思勰撰(因《齐民要术》成书于东魏时期，故也有工具书称其为东魏人)。“齐民”，即平民，泛指当时向国家交租纳税的各色编户。“要术”，指通过生产劳动的谋生之术。贾思勰，约于北魏473年出生于齐郡益都，曾任高阳太守。退职归田后撰成《齐民要术》10卷92篇，正文8万字，连夹注共11万字，附有自序和杂说各一篇。贾思翻自序说：“今采据经传，爰及歌谣，询之老成，验之行事，起自耕农，终于醯（xi）醢（hai），资生之业，靡不毕书。”说明作者是总结书本知识和实际经验写成的。书中叙述了五谷、瓜果、蔬菜、树木的栽培，牲畜、家禽、鱼类的饲养，酒、酱、醋、鼓脯、饴、糖等的制作，以及煮胶、造墨的方法等，最后一篇讨论“非中国(指中原)物”，亦即北方不生产的蔬菜、瓜果的品种特性。《齐民要术》总结了6世纪以前中国北部黄、淮地区农业、畜牧业的生产经验，如关于耕地除草有“春雨难期，必须藉泽”，这是说春耕要注意保持土壤的水分；“若水旱不调，宁燥不湿”，这是说湿田翻耕土壤容易板结，应予避免等等。此外对选种、轮作、施肥等田间管理技术都有阐述，并提出农业生产应当综合考虑各项生产因素，生产过程中要抓紧各个环节的原理。书中记载的能使梨树提早结果的嫁接技术、树苗的培育方法、家禽家畜的饲养方法等都显示了当时我国农业的较高水平。当时所见的农学著作，有的阐明农业思想，有的讲求耕种技术，有的专门研讨单种农作物，有的是论述农具的，而《齐民要术》涉及了农业生产的方方面面，是我国最早的农业百科全书，也是世界科技史上最宝贵的农学文献之一。《齐民要术》援引《诗经》、《礼记》、《尔雅》、《管子》等古籍近200种，收集民间农谚30余条。所引汉晋以来很有价值的农书现都已失传，后人主要从本书中加以辑录，足见本书的史料价值。但由于作者主要活动于北方，缺少南方的资料，故该书的内容也偏重于长江以北。三、郦道元和《水经注》我国古代的地理学成就很多。西汉已经有全国地图。近年来长沙马王堆汉墓出土了帛绘的长沙地区图，已经是高水平的地图。东汉班固《汉书》中已专门写有《地理志》。魏晋南北朝时，我国地理学有了重大发展。魏晋南北朝时曾流传一部《水经》，它记述中国的河流水道共计137条。《水经》的作者究竟是谁，历来说法不一。《新唐书•艺文志》、《通志•艺文略》等都说是汉代桑钦所著；《旧唐书•经籍志》说是晋代郭璞所撰；但据清代学者全祖望、戴震等人考证，该书作者应是三国时人。《水经》虽然是部完整的地理学著作，但内容过于简单，北魏时，郦道元为其作了为后人大加赞扬的名注。郦道元，范阳琢县(今属河北)人。历任宣武帝、孝明帝两朝，先后出任鲁阳太守、东荆州刺史、河南尹，后迁御史中尉。在地方和中央，都以为政严猛著称。雍州刺史萧宝夤(yin)图谋叛乱，忌恨郦道元的朝贵，奏请派他为关右大使，前往安抚，最后遭萧宝夤杀害。郦道元少时曾随父宦游，培养了“访渎搜渠”的兴趣。成年后，又好学不倦，博览群书，尤其喜欢钻研地理著作。他认为古代的地理书籍都太简略，《水经》同样如此，又缺乏旁通，于是决意为其作注。他广泛搜集资料，引证了437种古书，采录了汉魏的许多碑刻，并跋涉郊野，寻访古迹，便所记水道增至1252条，为原书的8倍，注文约30万字，为原书的20倍，共分为40卷。《水经注》以水为纲，以发展变化的观点考察地理现象，对每条水道都追溯到可能追溯的最早时期。对于水源的大小、湖泊的盈竭、水色的清浊、泥沙的堆积、洪水的涨落等水文变化都有详细记载。同时，又“即地以存古”，对每一条河流所经之处作了详细描述，有关各地历史事迹、土地物产、建置沿革、聚落兴衰、风土人情、名胜古迹等无不备载，还记录了不少民间歌谣、谚语、方言和传说，史料价值相当高。如记述平城(今山西大同)的火井温汤，高奴(今陕西延安东)、延寿(今甘肃玉门东南)的古油，邯城(今河北临漳北)的煤炭等，至今仍有很高的参考价值。郦道元又有很高的文学造诣，故《水经注》体例严谨，文笔绚烂，描述生动，其中不少优美精练的游记小品，对后代文学家有不小的影响。书中一些精彩篇章，写得如诗如画，对后世文人作家影响深远。《水经注》对长江三峡壮丽景色的描写，就是典型的例子。语文课节录了《水经注》对三峡两岸猿声的描写：“自三峡七百里中，两岸连山，略无阙处，重岩叠嶂，隐天蔽日……有时朝发白帝，暮到江陵，其间千二百里，虽乘奔御风，不以疾也。……每至晴初霜旦，林寒涧肃，常有高猿长啸