物理学史中国古代物理学

物理学史中国古代物理学第1页/共81页概况在古代，无论是古希腊还是中国，都谈不上有“物理学”。当时人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法，也不可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括，使之成为完整的知识体系。但这一阶段仍是物理学形成和发展的先导和渊源。是物理学发展的孕育和萌芽时期。但我们可以通过早期人类的遗迹中看到人类为了生存，在获取生活和生产资料的过程中，在与大自然的各种斗争中，不断认识自然，改造自然，从而孕育和形成了早期的物理知识和物理思想。

中国古代物理思想的特点：1.发源于当时生产工艺的实践过程中2.以朴素的直观观察为依据，思辨色彩浓烈3.没有集中的专门著作，散见于有关古籍之中第2页/共81页中国古代物理学形成和发展的阶段：在中国，自夏、商、西周起，随着手工技术的发展，物理知识开始积累。春秋战国时期科学技术蓬勃发展，中国古代物理学开始形成；秦汉时期，形成一个发展高峰；宋元时期达到鼎盛。至此，在西方近代科学诞生之前，中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位。明末至清初以后，科学和科学技术的发展逐渐落后于西方，这一时期，西方物理知识开始向中国输入。第3页/共81页关于物质的构成，自然界的各种自然现象的形成与变化，中国古代有多种说法，典型的说法如“五行说”，“阴阳说”，“元气说”。“五行说”

这一学说始于夏朝，流行于商朝，到了西周发展为“五行元素说”。西周末年，太史官史伯在总结前人思想以后说：“夫和实物，同则不继，以他平他谓之和，故能丰长而物生之，若以同裨同，乃尽弃矣。故先王以土与金、木、水、火杂以成百物”。（国语·郑语。）这里已十分明确的把水、火、木、金、土五种基本物质当成组成世界万物的原始材料。更加清楚地表明中国古代原始五行说，实际上就是最早的关于物质组成的假说。它不仅具有朴素的元素概念，并具有物质相互转化的观念。一.中国古代的物质观第4页/共81页五行思想五行：金、木、水、火、土五种基本物质或元素。“水曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑。”（《尚书·洪范》）

构成：世界万物皆由上述五种元素构成。“以土与金、木、火、水杂，以成百物”（《国语·郑语》）。

相互关系：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。

意义：五行依一定的相生次序而相生；又依一定的相克次序而相征服。这种关系深刻地揭示了组成世界的五种基本物质元素在相互转化的复杂变换过程中，生成和消失的速率是受控的，在量上是互补的，因而元素的种类和总量不增不减，物质守恒。第5页/共81页2.阴阳学说阴阳是中国古代哲学的一对范畴。阴阳的最初涵义是表示阳光的向背，向日为阳，背日为阴。

后来，又给它赋予了一定的意义，把自然界和社会上一切对立的现象抽象为阴阳，用阴阳概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力，用来解释天文气象、四季变化、万物兴衰等自然现象。如气候的寒暖，方位的上下、左右、内外，运动状态的躁动和宁静，以及天地、男女、昼夜、君臣、夫妻等。

阳代表积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、太阳等阳性和具有这些特征的事物；

阴代表消极、退让、柔弱、下降、寒冷、晦暗、雌性、月亮等阴性和具有这些特征的事物。第6页/共81页

认为：阴阳的对立统一运动，是自然界一切事物发生、发展、变化及消亡的根本原因。是自然界一切事物运动变化的固有规律。阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律。阴阳学说的基本内容包括阴阳对立、阴阳互根、阴阳消长和阴阳转化四个方面。

“阴阳有序、整体和谐”是世间的最佳状态，也是事物稳定的基本保证。第7页/共81页

《周易》以阴阳的范畴为基础，说明天地变化及各种现象：“易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦”（《易经·系辞上》）。意思是：宇宙的的本原是‘太极’（物质的原始状态），太极生出天地（阴阳），天地生出四时（春、夏、秋、冬），再生出‘八卦’（天、地、山、泽、水、火、风、雷）。

白纸称为无极，画上一个圆圈，称为无极生太极（宇宙），中间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，中间的曲线表示了阴阳的相互运动和相互转化。黑白两个半球中各有一个与之颜色相反的小圆圈，称为阴阳子，表示阴中有阳，阳中有阴。

第8页/共81页四象和阴阳的组合再生八卦：乾、坤、震、撰、坎、离、艮（gèn）、兑。

八卦则是其形式化和符号化：－－为阴，——为阳，分别称作‘阴爻（yáo)’和‘阳爻’，阴爻和阳爻的组合构成四象：2223第9页/共81页“阴阳八卦”说这一学说起源于殷周之际，实际上也是一种原始的元素论。它从人们生活经常接触的自然界中选取了八种东西作为说明世界上其他多种东西的根源。所谓八卦，即用八种符号来表示八种自然现象，而这八卦是由阳爻（音挑yao）用“”表示和阴爻用“--”表示，阳爻和阴爻排列为八卦，再由八卦排列为６４卦。八卦分别是乾、坤、震、巽（xun）、坎、离、艮、兑等，它们分别表示天、地、雷、风、水、火、山、泽。世界就是在阴阳两种对抗物质势力运动推动下孳生着，发展着。这是一种十分朴素的万物生成的唯物主义观念。第10页/共81页1.概述：中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一种统一的物质，认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成，而不像“五形说”是各种元素的组合。在“道”和“太极”的思想指导下，逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说”。春秋战国时期，老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气，进而产生万物。庄子继承和发扬老子的学说，提出“通天下一气”的思想。战国末期的荀（xún）况也指出气是构成万物的基本元素。

元气说在春秋战国时期出现，在汉代逐渐成熟，经过唐、宋得到相当大的发展，明末清初达到高峰。由汉代的王充、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表，形成了“元气自然论”；由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论”。二元气说第11页/共81页

“元气说”的主要思想①气是充满整个宇宙客观存在的物质，是万物本原。王充在《论衡》中说：“天地，含气之自然也。”《论衡•

谈天》，“天地合气，万物自生”《论衡•

自然》。王充（27-约97）：东汉时期的唯物主义哲学家和进步思想家，创立了以气为基础的元气自然论。主要著作有《论衡》，共30卷，85篇，涉及力学、声学、光学、热学、电磁学等多方面的知识，是我国中古时期的一部百科全书。②气有聚散两态，太虚为气，气形转化张载（1020～1077，宋）：“太虚者，气之体…形聚为物，形溃反原”《正蒙•乾称》王夫之（1619～1692，明末清初)：“虚空者，气之量，气弥沦无崖而希微不形，则人见虚空而不见气。凡虚空者，气也。聚则显，显则人谓之有；散则隐，隐则人谓之无。”《张子正蒙注•太和》。第12页/共81页③气分阴阳，永远处于运动变化之中④物质不灭思想王夫之《张子正蒙注•太和》：气“散而归于太虚，复其氤氲之本体，非消灭也。聚而为庶物之生，自氤氲之常性，非幻成也”“聚散变化，而气本体不为之损益。”；“车薪之火，一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木，水者仍归水，土者仍归土，特希微而人不见者。”；“一甑（zeng）之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归；若盖严密，则郁而不散。”

元气学说注重物质连续与不连续的相互统一，强调事物间的相互联系和相互转化。符合自然界的真实变化，与自然本性更接近。但元气说终究是一种思辩理论，没有实验、数学等科学方法的配合，长期停留在推测、玄想阶段，致使中国没有走上诞生近代科学的道路。第13页/共81页

二.中国古代的力学知识力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理，这在东西方古代都是如此。我国古代，手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多，这是中国古代对力学研究的主要特点。

1.物理计量：①时间计量、②度量衡2.时间、空间、运动：

①空间和时间②运动与静止③运动的相对性3.对力的认识：4.力学知识的应用第14页/共81页一力学①时间计量

a.干支纪法：春秋时鲁隐公三年（前722）二月己巳日至清宣统年（1911）。“干支”是“天干”和“地支”的合称。

天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。

地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥。组成“六十干支”：甲子、乙丑、…癸酉、甲戊、乙亥…癸亥。共60个组合，也称“六十甲子”，周而复始，不断循环。寅1月虎、卯2月兔、辰3月龙、巳4月蛇、午5月马、未6月羊、申7月猴、酉8月鸡、戌9月狗、亥10月猪、子11月鼠、丑12月牛

b.十二时辰记时法：子时：23～1时，丑时：1～3时，…,亥时：21～23时。c.百刻时制（漏壶记时制）：采用日晷或漏壶将一昼夜分为十时，一时分为十刻。‘刻’为漏壶的基本记时单位，在竹或木制的箭上100个等分刻度，其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高度。1刻等于现在的14.4分钟。d.机械记时：东汉时期张衡117年发明浑天仪，用于测定天体位置，一天转一周。后经唐宋发展，成为世界上最早的天文钟。第15页/共81页星晷月晷圭表日晷第16页/共81页漏壶：

漏壶有两种形式：泻水型和受水型。我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶，只有一把挈壶，出水口在壶底侧。由于挈壶里水位不同时出水速度不同，后来又发展出受水型。并逐渐由最初的两壶发展成多壶。右图为根据唐朝吕才《历象汇编历法典》99卷刻漏图制作的四级漏壶。浮漏：

宋代沈括在多级漏壶的基础上发明了浮漏，每昼夜误差小于20秒。宋代燕肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法，精度提高到14.4秒；宋代赵友钦则将精度提高6秒。第17页/共81页②度量衡：度---长度量---容量衡---重量

长度蔡锷：奈何七尺之躯已许国家，难以许卿七尺男儿有多高？关云长身高八尺？关羽有多高？古代的几个规定：《孔子家语》记载：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”即：从中指的指端到第一横纹叫一寸，拇指和中指一扎为一尺，两臂伸开长八尺，叫一寻。《孙子算经》：“度之所起，起与忽。蚕吐丝为忽。十忽为一丝，十丝为一毫，十毫为一厘，十厘为一分。”第18页/共81页《汉书•律历志》详细记载：

长度单位：引、丈、尺、寸、分，十进制；《汉书·律历志》记载：“度本起黄钟之长。…九十分黄钟之长，一为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引”。殷商时的一尺，大概是15.8cm

战国、秦、西汉、新莽时大概是23.1cm

东汉的一尺有23.75cm

东汉末、三国、西晋的时候，一尺为24.2cm

东晋、五胡十六国、南朝一尺等于现在24.5cm

北朝、隋时为29.6cm

唐分大小尺，小尺为30cm，大尺为36cm

宋、元一尺为31.2cm

明：裁衣时一尺为34cm，量地时一尺32.7cm，营造时一尺32cm

清：裁衣时为35.5cm，量地时为34.5cm，营造时为32cm

七尺之躯大概1.6米关羽大概1.9米第19页/共81页容量单位：斛（hú)、斗、升、合、龠（yuè），十进制。另外：一手所盛为“溢”,二手合盛为“掬”,“掬四谓之豆”秦：1斛=10斗,1斗=10升，1升（194毫升）

汉：1斛=10斗,1斗=10升,1升（342/192毫升）=10合，1合=2龠,1龠=5撮,1撮=4圭

三国两晋：1斛=10斗,1斗=10升,1升（202毫升）=10合

南北朝：1斛=10斗,1斗=10升,1升=10合

隋：1斛=10斗,1斗=10升,1升(594/198毫升)=10合

唐：1斛=10斗,1斗=10升,1升(594毫升)

=10合

宋：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升1升(664毫升)=10合

元：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升1升（949毫升）=10合

明：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升1升（1074毫升）=10合

清：1石=2斛，1斛=5斗,1斗=10升1升（1036毫升）=10合

陶渊明不为五斗米折腰，五斗米是多少？容量中国古代有很多与容量有关的词语，如升斗小民第20页/共81页重量单位：石、钧、斤、两、锱、铢，非十进制。秦：1石

=

4钧,

1钧

=

30斤,

1斤（253克）

=

16两,

1两

=

24铢汉：1石

=

4钧,

1钧

=

30斤,

1斤（248/220克）

=

16两,

1两

=

24铢两晋：1石

=

4钧,

1钧

=

30斤,

1斤

（220克）=

16两,

1两

=

24铢南北朝：1石

=

4钧,

1钧

=

30斤,

1斤

（南齐330，梁陈220克，北魏齐440

克，北周660）=

16两,

1两

=

24铢隋：1石

=

4钧,

1钧

=

30斤,

1斤（661/220克）

=

16两,

1两

=

24铢唐：1石

=

4钧,

1钧

=

30斤,

1斤（661克·）

=

16两,

1两

=

10钱,

1钱

=

10分宋：1石

=

120斤,

1斤（633克）=

16两,

1两

=

10钱,

1钱

=

10分元：1石

=

120斤,

1斤（633克）

=

16两,

1两

=

10钱,

1钱

=

10分明：1石

=

120斤,

1斤

（590克）=

16两,

1两

=

10钱,

1钱

=

10分清：1石

=

120斤,

1斤（590克）

=

16两,

1两

=

10钱,

1钱

=

10分锱铢必较？1两=4锱关云长青龙偃月刀82斤到底有多重？中国古代有很多和重量有关的成语，要弄清意思，需要知道重量的定义千钧一发重量第21页/共81页2.时间、空间和运动①时间与空间上下四方曰宇，往古今来曰宙《尸子》久，弥异时也。宇，弥异所也《经上》时间和空间的连续性有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也②运动的相对性《吕氏春秋》：“刻舟求剑”故事；《隋书•天文志》：“仰游云以观，日月常动而云不移”。《抱朴子•塞难》：“见游云西行，而谓月之东驰”。《春秋纬•元命苞》（汉代）：“天左旋，地右动”。《春秋纬•考灵曜（yào）》“地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭牖（yǒu）而坐，舟行而人不觉”。比伽利略（1564-1642）相对性原理早一千多年。第22页/共81页3对力的认识（1）力的概念

※《墨径》：“力，刑之所以奋也”，这里刑即形，指物，奋即飞，动的意思。

※王充《论衡•效力篇》：“人有知学，则有力矣。文吏以理事为力，而儒生以学问为力”，“举重拔坚，壮士之力也”，“故夫垦草殖谷，农夫之力也…”（东汉）。

※西方，17世纪初‘弗兰西斯•培根’提出：“知识就是力量”。（3）杠杆原理

《墨径》中对不等臂天平的论述：“衡，加重于其一旁，必捶，权、重相若也。相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下，标得权也。”（2）外力与内力

王充《论衡》：“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举不能离地。”第23页/共81页（4）浮力：曹冲称象等。（5）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄127-200）。（6）大气压力

西汉时期已利用虹吸管---渴乌，东汉时已广泛用于灌溉，唐朝已有隔山取水的大型引水工程。

《关尹子》：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则水不降。”唐代王冰《素问》：“虚管灌满，捻上悬之，水固不泻，…；空瓶小口，顿灌不入，为气不出而不能入也。”（7）惯性：春秋战国时期的《考工记》中描述：“马力既竭，轴犹能一取焉”第24页/共81页4力学知识应用※古代建筑学上力学的应用：如隋代李春建造的赵周桥，是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥，距今已1300年；

※公元1056年建造的辽代山西应县木塔，是世界上现存的最高的古代木构建筑，高67.31米，经受近一个世纪的风雪袭击，12次六级以上地震，至今安然屹立。

※宋代建筑师喻皓曾在开封建“开宝寺塔”斜塔：“塔初成，望之不正，而势倾西北。人怪而问之。皓曰：‘京师地平无山，而多西北风，吹之不百年当正也。’”《归田录》。

※

明代的北京故宫群等等。※尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓（duì

舂米用具）、水排鼓风机（公元31年东汉南阳太守杜诗发明）、被中香炉、记里鼓车、水运浑象仪等。第25页/共81页被中香炉被中香炉是中国古代盛香料熏被褥的球形小炉。它的球形外壳和位于中心的半球形炉体之间有两层或三层同心圆环。炉体、内环、外环和外壳内壁的支承轴线依次互相垂直。炉体由于重力作用，不论球如何滚转，炉口总是保持水平状态。第26页/共81页水碓第27页/共81页总的来说，我国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分，但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视，致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力，科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失，缺乏系统整理，一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩（如“气”、“道”、“理”），缺乏数学的定量引用和系统实验的基础，因此经典力学理论只能等待西方传入。第28页/共81页三.中国古代的热学知识

我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少，还有待于进一步发掘。对冷热的认识

约在公元前2000年，我国已有气温反常的记载，在两周初期，人们开始掌握降温术和高温术。据《周礼》记载，当时已设专人司贮冰事，冬季凿冰加以贮藏，到春、夏季用来降温。我国冶炼业的发展较早，高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁，经科学分析，它是一块生铁，生铁的冶炼温度比熟铁高，需达摄氏千度以上。生铁的出土，说明在那时的高温技术已达到一定水平。

火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古人对热现象认识的开端。我国山西省芮城西侯度旧石器的遗址，说明大约180万年前人类已经开始使用火。第29页/共81页温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据《考工记》记载，在铸铜与锡时，随温度的升高，火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色，然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。“火候”（包括火色）成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。

对冷热问题，东汉王充还曾从理论上加以探讨，在他的著作《论衡·寒温篇》中写道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”他把“气”作为物体之间进行“温”“寒”传递的物质承担者，还指出距离变远，“气”的作用渐小。这里已涉及热传递的理论问题，但它只是思辩性的，是我国“元气说”的一种应用。第30页/共81页

热胀冷缩是重要的热现象之一，在我国古代对它已有所研究和利用。汉代《淮南万毕术》记述了这样一个现象：把盛水铜瓮加热，直到水沸腾时密闭其口，急沉人井中，铜瓮发出雷鸣般响声。这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂，破裂声由井内传出，这是一个典型的热胀冷缩现象。元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验，他把带孔的物体加热以后，使另一个物体进入孔洞，从而这两个物体如“辘轳旋转，无分毫缝罅”。他明确指出，这是前一物体“煮之胖胀”的缘故。

对热是什么这一问题，我国古代也已注意到，南北朝成书的《关尹子》中认为：“外物”的来去是使瓦石一类物体发生寒热温凉之变的原因。而另一种说法见于据传可能为北齐刘昼著的《刘子·崇学篇》，则从“五行”观念出发，猜想物体寒、热、温、凉的变化是一种“内物”在起作用。这种所谓的“外物”或“内物”都是把热设想为一种实体物质，它类似于18世纪“燃素”和“热素”的观念。第31页/共81页对水的物态变化，在我国古代也早有认识，例如对雨和雪形成的探讨，认为是由于“积水上腾”而造成。《论衡》中对此有明确的表述：“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”此文说明露、霜、雨、雪是因为不同的温度由水冻凝而成，它们都是水由地面蒸发而产生的。汉代以后的古籍中，对雨、露、雪、霜成因的讨论更多，说明当时对物态变化的知识有了新的认识。汉代董仲舒从“气”的观念出发，解释雨、露、雪、霜成因的道理是：水受日光照射，蒸发成水汽，再在不同条件下形成雨、霰、雪等。从现在看来，这些分析也基本上是正确的。第32页/共81页

我国古代，在生产和生活实践中，创制了利用热的各种器具。如宋代曾发明一种“省油灯”，在“灯盏一端作小窍，注清冷水于其中”，据说这种灯能“省油几半”。现在分析，文中所说加入冷水，目的是降低温度，避免油被灯火加热后急速蒸发，其中包含了对油的汽化和温度的关系的认识。

据《淮南子》记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞”。这是关于“热气球”的最早设想，也是空气受热上升的具体应用。五代时期，据说还利用这一原理制成信号灯，所谓“孔明灯”也是应用了这一道理。

关于走马灯我国古代有较多记载，有的古籍把它称作“马骑灯”、“影灯”。宋代《武林旧事》在记述各种元宵彩灯时写道：“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞……”，这表明当时已利用了冷热空气的对流制造出各种各样的走马灯。第33页/共81页

在我国古代，很早就出现了对热动力的认识和利用，唐代出现了烟火玩物，“烟火起轮，走绒流星”。宋代制成了用火药的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龙出水”的火箭，这些都是利用燃烧时向后喷射产生反作用力使火箭前进的道理，属热动力的应用，它是近代火箭的始祖，被世界所公认。第34页/共81页四.中国古代的光学知识

我国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。根据籍记载，我国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。(1)对光的直线传播的认识早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下……”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。第35页/共81页

宋代，沈括在《梦溪笔谈》中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。(2)对视觉和颜色的认识

视觉在《墨经》中已有记载：“目以火见”。已明确表示人眼依赖光照才能看见东西。稍后的《吕氏春秋·任数篇》明确地指出：“目之见也借于昭”。《礼记·仲尼燕居》中也记载：“譬如终夜有求于幽室之中，非烛何见?”东汉《潜夫论》中更进一步明确指出：“夫目之视，非能有光也，必因乎日月火炎而后光存焉”。以上记载均明确指出人眼能看到东西的条件必须是光照，尤其值得注意的是认为：光不是从眼睛里发出来的，而是从日、月、火焰等光源产生的。这种对视觉的认识是朴素、明确、比较深刻的。第36页/共81页(3)光的反射和反射镜的利用

我国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前2000年夏初的齐家文化时期已经出现。后来随着技术的发展，古镜制作技术逐渐提高，应用范围逐扩大，种类也逐渐增多，出现了各种平面镜、凹面镜和凸面镜，甚至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜”。第37页/共81页

宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中对“透光镜”的原理进行了分析：“世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字，字极古，莫能读。以鉴承日光，则背文（纹）及二十字，皆透在屋壁上，了了分明。人有原其理，以谓铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多。文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。予观之，理诚如是。”

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值得提出的是宋末元初的赵友钦(13世纪中叶至14世纪初叶)，在《革象新书》的“小罅光景”中，描写了一个大型光学实验，在地面下挖了两个圆阱，圆阱上可加放中心开有大小、形状不同孔的圆板盖。通过它可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔(大小和形状)、光源(形状和强度)、像(形状和亮度)、物距、像距之间的关系进行研究。将两块圆板上各插1000多支蜡烛，放在阱底或桌面上作为该实验的光源。通过实验确认了光直线进行的性质，定性地显示了像的明亮程度与光源强度之间的关系，并涉及光的照度和成像理论。他所采用的大型实验方法很有特色，是我国历史上记载的规模最大的实验。第39页/共81页

五.中国古代的电磁学知识

王充在《论衡·雷虚篇》中写道：“云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中，关于雷电及其灾害的记述十分丰富，其中尤以明代张居正（1525～1582）关于球形闪电的记载最为精彩，他在细致入微的观察的基础上，详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时间等，留下了可靠而宝贵的文字资料。(一)中国古代的电学知识

我国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“電”字。第40页/共81页

在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因。《淮南子·坠形训》认为，“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基（1311～1375）说得更为明确：“雷者，天气之郁而激发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。

尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟，常常可导致尖端放电发生，因这一现象多有记述。如《汉书·西域记》中就有“元始中（公元3年）……矛端生火”，晋代《搜神记》中也有相同记述：“戟锋皆有火光，遥望如悬烛”。避雷针是尖端放电的具体应用，我国古代地采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金，高大建筑物的瓦饰制成动物形状且冲天装设，都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿，至今已有500多年历史，虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。金殿是一座全铜建筑，顶部设计十分精巧。除脊饰之外，曲率均不太大，这样的脊饰就起到了避雷针作用。第41页/共81页我国古人还通过仔细观察，准确地记述了雷电对不同物质的作用。《南齐书》中有对雷击的详细记述：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也”。即强大的放电电流通过佛面的金属膜，全属被融化。而窗户为木制，仍保持原样。沈括在《梦溪笔谈》中对类似现象叙述更为详尽：“内侍李舜举家，曾为暴雷所震。其堂之西室，雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢（刚），就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石。今乃金石皆铄，而草木无一毁者，非人情所测也。”

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在我国，摩擦起电现象的记述颇丰，其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在西汉，《春秋纬》中就载有“瑇瑁（玳瑁）吸衤若（细小物体）”。《论衡》中也有“顿牟掇芥”，这里的顿牟也是指玳瑁。三国时的虞翻，少年时曾听说“琥珀不取腐芥”。腐芥因含水分，已成为导体，所以不被带电琥珀吸引。

西晋张华（232～300）记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象：“今人梳头，脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声”。唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑猫皮起电：“猫黑者，暗中逆循其毛，即若火星”。摩擦起电也有具体应用。据宋代的张邦基《墨庄漫录》记载：孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑（可制香料的有机化合物碎屑）．“皇宫中每幸诸阁，掷龙脑以辟（避）秽。过则以翠羽扫之，皆聚，无有遗者”。关于摩擦起电的记载还很多。第43页/共81页

近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的，我国古代学者对电的研究，大大地丰富了人们对电的认识。第44页/共81页(二)中国古代对磁的认识

我国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如《史记·封禅书》说汉武帝命方士栾大用磁石做成的棋子“自相触击”；而《椎南万毕术》（西汉刘安）还有“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上则相拒不休”的详细记载。南北朝（512～518年）的《水经注》（郦道元）和另一本《三辅黄图》都有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门，“有隐甲怀刃人门”者就会被查出的记载。（1）磁石的吸铁性及其应用

我国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4世纪左右成书的《管子》中就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁的最早记载。类似的记载，在其后的《吕氏春秋》中也可以找到：“慈石召铁，或引之也”。在东汉以前的古籍中，一直将磁写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。第45页/共81页《晋书·马隆传》记载：相传3世纪时智勇双全的马隆在一次战役中，命士兵将大批磁石堆垒在一条狭窄的小路上。身穿铁甲的敌军个个都被磁石吸住，而马隆的兵将身穿犀甲，行动如常。敌军以为马隆的兵是神兵，故而大败。

古代，还常常将磁石用于医疗。《史记》中有用“五石散”内服治病的记载，磁石就是五石之一。晋代有用磁石吸出体内铁针的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳内，口含铁块，因而治愈耳聋。

磁石只能吸铁，而不能吸金、银、铜等其他金属，也早为我国古人所知。《淮南子》中有“慈石能吸铁，及其于铜则不通矣”，“慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”。第46页/共81页（2）磁石的指向性及其应用在我国很早就发现了磁石的指向性，并制出了指向仪器司南。《鬼谷子》中有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。稍后的《韩非子》中有“故先王立司南，以端朝夕”的记载。东汉王充在《论衡》中记有“司南之杓（勺子），投之于地（中央光滑的地盘），其柢（勺的长柄）指南”。第47页/共81页不言而喻，司南的指向性较差。北宋时曾公亮与丁度（990～1053）编撰的《武经总要》（1044年）在前集卷十五记载了指南鱼的使用及其制作方法，极为清晰地论述了热退磁现象的应用。当烧至通赤时，温度超过居里点，磁畴瓦解，这时成为顺磁体。再用水冷却，磁畴又重新恢复。这时鱼尾正对子位（北方），在地磁场作用下，磁畴排列具有方向性，因而被磁化。从司南到指南鱼，无疑是一个重大进步，但在使用上仍多有不便。第48页/共81页我国古籍中关于指南针的最早记载，始见于沈括的《梦溪笔谈》。该书介绍了指南针的四种用法：水法，用指南针穿过灯芯草而浮于水面；指法，将指南针搁在指甲上；碗法，将指南针放在碗沿；丝悬法，将独股蚕丝用蜡粘于针腰处，在无风处悬挂。磁针的制作，采用了人工磁化方法。正是由于指南针的出现，沈括最先发现了磁偏现象，“常微偏东，不全南也”。

南宋时，陈元靓在《事林广记》中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑，对于指南仪器这是在结构上的一次较大改进，为将指南针用于航海提供了方便条件。

指南针用于航海的记录，最早见于宋代朱彧的《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。以后，关于指南针的记载极丰。到了明代，遂有郑和下西洋，远洋航行到非洲东海岸之壮举。西方“关于指南针航海的记载，是在1207年英国纳肯（A.Neckam，1157～1217）的《论器具》中。第49页/共81页

遗憾的是，中国古代关于磁的认识尽管极为丰富，但关于磁现象的本质及解释，往往又是含糊的，缺乏深入细致的研究。就连被称作“中国科学史上的坐标”的沈括，对磁现象也认为，“莫可原其理”，“未深考耳”，致使在我国历史上，一直未能产生可与英国吉尔伯特《论磁》比美的著作。第50页/共81页六.中国古代的声学知识

在中国古代物理学中，声学的成就可以说是一技独秀，有特别加以记述的必要。（1）乐器制作与乐律理论

中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖村的骨笛，是公元前5000～前6000年新石器时代的遗物，这是迄今发现的世界上最早的乐器。

西周时期，见于《诗经》记载的乐器就有29种，其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃、（革兆）（摇鼓）等，调频弹拨乐器有琴、瑟，管类乐器有箫、管、埙、笙等。1979年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前443年的编钟，一套共65件，总重2500余斤，总音域跨五个八度，12个半音齐全，音色优美，效果极佳，充分显示了我国古代音乐、冶金和乐器制造水平之高超。第51页/共81页编种古代乐器

新石器时代：陶埙（xūn）和骨哨。

《诗经》记载：有29种之多，包括各种弹琴、吹奏、打击等乐器。

战国曾侯乙墓：出土的有：编钟、磬、笙、排萧等。第52页/共81页由于重视“礼、乐、术、数”，我国古代研究乐音数学规律的律学相当发达，《二十四史》有许多律历志的记载。最晚到殷商时期已产生了宫、商、角、徵、羽五声，西周编钟已刻有十二律（由于对乐音成组的认识，而产生十二律，其名称为：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射和应钟，黄钟为十二律中的第一律）中的一些铭文。以黄钟为标准音高之首，逐次按半音降低，就形成了十二律。最早的乐律计算法见于《管子·地员篇》中的“三分损益法”，约产生于公元前7～3世纪间，即将主音律的弦（或管）长三等分，取其两份（全管长的2/3，为损一），或增加一份（全管长的4/3，为益一），依次确定十二律中其他各律的方法。这种以弦长为准的方法，与欧洲当时以频率为准的“五度相生法”是成倒数关系的。16世纪末，朱载堉提出了十二平均律的理论和算法。十二平均律是我国对音乐声学的重大贡献。第53页/共81页（2）声的传播与发声原理的探讨

据北魏郦道元《水经注》卷三十四《江水》记载：陈遵在造江陵金堤（公元512～518）时，曾利用鼓声推算高地的高度，可能是利用鼓声的传播速度推算的。这一记载很有意义。

对于发声原理，东汉王充在《论衡·论死篇》中先说明人的语言是由于“气括口喉之中，动摇其舌，张合其口”而生的，然后推广到“箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人之动舌也”。

明宋应星具体考察了声的发生的几种情况：“冲”（“飞矢”），“界”（“跃鞭”），“振”（“弹弦”），“辟”（“裂缯”，即撕丝织品），“合”（鼓掌），“击”（挥椎）。他认为发声第一必须有气：“气而后有声”，“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自生”；第二必须是“以形破气”，“气之一动”，“急冲急破，其声方起”，例如“击物”就是“气随所持之物而逼及于所击之物有声焉”（《论气·气声》）。第54页/共81页

关于声音发生与传播更为深刻的见解是王充和宋应星指出的。王充在《论衡·变虚篇》中将鱼“动于水中，振旁侧之水”与人的“操行”（行动）引起“气应而变”加以对比。宋应星则明确提出“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。”（《论气·气声七》）。他们明确指出：“气”被“冲”如同“水”被“激”，“荡气”与水的“文浪”相似，可从“一拳”依次“开”至“纵横寻（古8尺）丈”犹未止，只是“荡气”微小到听不见而已，这就是“气声”。对声波的发生与传播从物理上分析如此精辟，在我国古代物理学中是很突出的。

关于共鸣现象的趣闻：庄子调瑟时发现共振现象，沈括在弦共振时作纸人试验，喷水鱼洗的研究等，文献记载相当丰富。第55页/共81页（3）古代建筑中的声学效应

利用声学效应的建筑在我国已发现不少。古典籍中关于空穴传声类的记载与建筑有关的也有“地听”、“墙听”（《墨子·备穴篇》）等，用陶瓮口向内砌墙可以隔音，在琴室及戏台下埋大缸可增加混声回响效果。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应。还有河南郏县蛤蟆音塔，四川潼南县大佛寺的石琴等。第56页/共81页

三音石和对话石回声示意图第57页/共81页回音壁传声示意图第58页/共81页第59页/共81页

山西永济县普救寺莺莺塔初建于隋唐，现存的塔重修于1564年明嘉靖年间，是一座方形空筒式十三层密檐式砖塔，高36.7米，建于陡坡的高处，周围空旷，整个塔身和塔檐由涂釉青砖建成，这些青砖的声反射系数达0.95～0.98，是声音的良反射体。塔身成空筒形，对声波起着谐振腔作用。由于十三层塔檐各层砌砖所成曲线的巧妙配合，对来自塔前距离约24米处的击石声产生良好的反射及会聚作用，因而“于地击石，有声如吠蛙”。同样，远处的声音通过十三层塔檐反射就会聚在檐前附近，使人耳接收到的声波能量大增。五里外的蒲州镇的演唱声，犹如塔内有戏台。

我国古代建筑是利用声学效应的科学宝库，还有待于进一步发掘。上述成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合，这也是我国古代物理学发展的根本特点之一。第60页/共81页七.中国古代物理学的特点中国古代物理学历史悠久，源远流长，具有连续发展与阶段高潮的特点。与同一古代时期的任何一个民族相比，中国古代物理学具有特别丰富的内容，在力、热光、电、声、磁和物质结构诸方面都有充分的发展。中国古代物理学在内容上，虽然主要是对自然现象的观察与描述，但古人观察得特别敏锐，描述得非常细致。而且能在“不原其理”的情况下以巧思对物理现象加以应用。在思维方法上，虽然主要是直观的观察与猜测，但突出体现了中国整体思维的特点：注重整体、着重联系、界限模糊。在社会功能上，有实用性的特点，集中体现在高超的技术成就及与各种哲学思想的融会上。第61页/共81页中国古代物理学的不足之处：在内容上，较多的是对具体物理现象的孤立考察，缺少对现象的归纳和总结，因此少有物理理论。在研究方法上，由于受到整体思维理论框架的束缚，对物理现象的思考与解释通常采用一般的模糊的、形象的证明方式，常是笼统的，可此可彼的泛泛方法。缺乏对物理现象的具体分析与逻辑思考。缺乏与数学的结合，不善于用数学语言来描述，因此很难正确把握物理规律和建立理论。在物理实验上很少进行定量的研究，缺乏碓实验的重视。第62页/共81页第二章西方古代物理学一.古希腊的自然观二.古希腊的物理知识三.中世纪的物理知识第63页/共81页一.古希腊的自然观

欧洲文明源自古希腊，从公元前8世纪到公元4世纪，史称“古希腊时期”。这个时期，古希腊学派林立、智者云集，包括科学在内的希腊文化达到了奴隶社会的颠峰。（一）世界万物本原朴素元素论

米利都学派创始人泰勒斯（约前624-前547）认为万物本原是水，万物生于水又复归于水。

其学生阿那克西曼德（约前610-前546）提出一种“无限者”（或“无定”、“不固定者”）作为万物本原。

后者的学生阿那克西米尼（约前585-前525）则以实实在在的“气”作为万物本原。

之后的赫拉克利特（约前540-前475）又把富于变化的“火”作为万物本原。第64页/共81页2古代原子论

原子论的创始人是米利都学派的留基伯（约前500-前440）和他的学生德谟克利特（约前460-前370），一百年后，伊壁鸠鲁（约前342-前270）发展了原子论的思想。世界是由细小的，无数的，不能再分割的看不见的微小原子和虚无的空间组成；原子在虚空中不停地作漩涡运动，原子彼此之间相互冲击，碰撞聚集在一起，并依靠原子上的“钩”“角”等形状上的差异，而机械地嵌合成复合物终致形成宇宙万物。万物的差异是因为原子的大小，形状，相对位置和运动方式的不同所致。第65页/共81页3毕达哥拉斯学派“数的和谐”

公元前6世纪至公元前5世纪，毕达哥拉斯（约前584-前497）创建了古希腊哲学中很独特的一个学派，这是一个研究数学与宗教的秘密结社，公元前5世纪分裂为科学派和宗教派。

毕达哥拉斯学派反对物质元素是万物本原的观点，认为数是独立于物之外的实质，数是万物本原，“万物皆数”，“数支配着世界”，“万物的本原是一”。

他们认为1是同一，是普遍的由1可以产生2，产生出各种数；2是意见，是1的对立物；3是实在与圆满，所有的一切都由3决定；4是主义；10是灵魂与理性，10=1+2+3+4，包括了数的全部本性。由数可以产生几何上的点、线、面、体，有了体才可以火、气、水、土元素，从而产生万物,数在物之先，数是事物的终极原因。第66页/共81页

也有学者认为万物的本原是多种元素。恩培多克勒（约前490-前430）提出了“四根说”，即土、水、气、火四种元素。这四种本原以“爱”和“恨”相吸或排斥而结合成万物，万物的变化就是这四种元素的分离与重新组合。

古希腊的元素论到了亚里士多德（约前384-前332）才算有了定论。他认为地上万物由轻重不同的土、水、气、火四种元素组成，天体由神圣纯洁的以太组成。他提出元素由冷、热、干、湿四种基质结合而成。四种元素不同的结合构成世界万物。第67页/共81页（二）对宇宙的认识1米利都学派的泰勒斯认为地象一个圆盘或圆桶浮在水上。2毕达哥拉斯学派企图用“数的和谐”来建立关于宇宙的理论。他们认为球体是最完美的几何形体，所以他们断言，宇宙是球形的，当中是中心火团，各种物体都围绕中心火团做均匀圆周运动；恒星紧系在天的最高圆顶，这个圆顶三万六千年绕中心火团转一周，下面是同心运动的球体（水、金、火、木、土星、太阳、月亮和地球）。3柏拉图学派柏拉图（前427-前347）认为永恒神圣的天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动，或者是沿着复合的圆周运动。他的学生欧多克索和亚里士多德提出了同心球层模型：太阳、月亮和行星都在以地球为中心的同心球壳中运动。第68页/共81页4地心说古希腊后期的阿波罗尼（约公元前247-205）为了克服同心球层模型的困难，提出了“本轮-均轮”结构模型：行星沿着本轮做圆周运动，本轮的中心有在一地球为中心的均匀轮上做圆周运动。5太阳中心说阿里斯塔克（约前310-前230）提出了与众不同的见解，认为地球不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心地球和行星都围绕太阳作圆周运动，恒星在远处，是不动的。第69页/共81页二.古希腊的物理知识古希腊物理知识比较集中在力学和光学两个方面。（一）力学知识代表人物：亚里士多德和阿基米德

亚里士多德（公元前384～前322年）研究了在重力作用下物体的运动，论证了运动、时间和空间的关系，区分了物质方面的运动、量方面的运动和空间方面的运动。关于时间，亚里士多德把时间看作是描述运动的数。他认为时间不同于运动，但时间也不能脱离运动。关于物体的运动，亚里士多德认为变化就是运动。这里的变化包括物体的性质变化、物体的位置移动、事物的产生和消灭、数量的增减……其中位置移动就相当于机械运动。他指出，要谈运动就必须指明“什么”在运动，“在哪里”运动和“何时”运动，显然这里已指明了物体运动和时间、空间的不可分割性。第70页/共81页

亚里士多德（公元前384～前322年）是古希腊最伟大的科学家之一。他17岁时就跟大哲学家柏拉图学习。亚里士多德爱独立思考。因此，他有许多观点跟他的老师截然相反。亚里士多德当过教师，对植物、动物、天文、气候、数学和物理等方面都进行过研究，著书1000多种，可以说他是古希腊各种知识集大成者。他的这些著作被当作古代世界的百科全书。达尔文曾这样评价亚里士多德："我尊敬林奈和屈费尔好像两位神一样。但是，他们比起亚里士多德来，却不过是小学生。"第71页/共81页（二）光学知识

古希腊对光的反射的研究贡献最大的是欧几里德（约前330-前275）和希隆。欧几里德把几何学运用到光现象的研究上，开创了几何光学。他著有《反射光学》，确立了光的直进性并建立了反射定律，确定了凹面镜的聚焦点在球心或球心与球面之间。之后的希隆（约前150-前100）也著有《反射光学》一书，内容是关于镜子的理论和实际应用。

相传古希腊的阿基米德，曾令他的士兵共同用镜子把太阳光反射到进攻他们的同一只敌船上，把敌船烧毁。

托勒密在对天体的观测中曾注意到光的折射现象。他著有《光学》一书，但早已佚失。第72页/共81页（三）其他物理知识古希腊对磁和声也有一定研究。

柏拉图在<<蒂迈欧>>中，亚里士多德的学生泰奥弗拉斯托斯在《论石》中都指出磁石和琥珀吸引它物的能力。卢克莱修在《物性论》中曾用原子论来解释磁石