《物理学史简编》

物理学史简编

王书运编

山东师范大学物理与电子科学学院

目录

绪论--------------------------------------------------3

第一章中国古代物理学成就-----------------------------8

第二章西方古代物理学成就-----------------------------27

第三章力学发展---------------------------------------35

第四章热力学和统计物理学的发展-----------------------52

第五章光学的发展-------------------------------------68

第六章电磁学的发展-----------------------------------87

第七章世纪之交的物理学-------------------------------102

第八章相对论的发展-----------------------------------112

第九章量子理论的建立与发展---------------------------128

第十章原子及核物理-----------------------------------151

第十一章物理学发展的现状和展望163

绪论

物理学是研究物质运动的最普遍形式的规律以及物质基本结构的科学。

物理学史是研究物理学产生和发展规律的科学。

一.物理学史的分期

1.古代物理学时期--科学的萌芽期

时间：从远古到16世纪中叶。

特点：主要是对自然现象的观察和记载。这一时期，自然科学与哲学融合在一起，对自

然现象的解释往往是哲理性的。

文化中心：古希腊和古代中国是。

2.经典物理学时期：

时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到

发展，有力地推动了科学的进程。16世纪中叶，哥白尼提出“日心说”。17世纪晚期，牛顿

建立了经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。之后，经典热力学、电磁学相继建立。到

19世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。

标志：牛顿力学、热学、光学、电磁学的建立。

3.现代物理学时期：

时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19世纪末一系列实验新事实的发现，使

经典物理学理论出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命；

标志：相对论、量子力学的相继建立，标志着现代物理学的诞生。

20世纪50年代以后，物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群，包括高能物理（粒

子物理）、原子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、计算物理和理论物理等主体学科以及

难以计数的分支学科。物理学与各学科之间相互交叉、相互渗透形成了众多很有发展前途的

交叉科学。

三个阶段

古代经典现代

时期前6.7世纪一1600年16世纪一19世纪末19世纪末一20世纪50年代

地域中国、古希腊、阿拉欧洲欧美及亚州

伯

代表亚里士多，《墨经》，牛顿，伽利略、法拉弟，麦爱因斯坦、普朗克、波尔

人物阿基米德克斯伟尔。

基本测量技术日心说，万有引力定律牛顿相对论与量子论及其派生

冶炼技术三定律，能量转换与守恒，出来的各分支理论，如核物

I:要

杠杆原理，浮力定律热力学定律，电磁场理论，理，凝聚态物理，非线性等

成就

指南针发明波动光学，及由这些理论引以及由此而产生的大量高

各种镜的成像出的大量新技术。科技，激光，超导、航天等

1、开始以“自然”、1、时间、空间的绝对性。1、进入微观和高速领域。

“物质”作为研究对2、因果决定论：宇宙的规2,研究范围广、发展速度

象。律是给定的，运动定律加上快与其他各学科互相渗透。

主要

2、处于对现象的直观初始条件，既可确定未来，3、哲学思想的指导作用明

特点

描述；经验的归纳性也可确定过去。显。开始警惕科技的负面影

总结和思辩性的假设3、根据经验和逻辑可以假响。

猜测阶段。设一个客观存在。

人文原始，自然，直观，严密、厚重、稳定与和谐简练、开放、多样性

特征粗旷

两次飞跃

理性的胜利走进现代

时间15、16世纪到17世纪上半叶19世纪末到20世纪初

1、生产力发展的需要：造船、纺1、物理学自身发展带来的新现象新

织、采矿、航海、军工、冶炼等方课题、新质疑。

原因面的发展，提出了大量科技问题。2、激烈的竞争迫切需要生产力进一

2、文艺复兴运动引发的思想大解步的发展。

放。

1、教会势力的禁锢与镇压。1、新理论的反常规色彩浓重，而经

阻力2、中世纪传统观念的束缚。典观念给人们的印象深刻。

2、错误的哲学观的影响。

1、哥白尼的日心说1、原子结构的揭密：电子（1897）X

标志2、牛顿的《自然哲学及其数学原光（1895）,放射性（1896）三大发现。

理》2、相对论和量子论的问世。

1、从直观物质世纪到理性地深入1、建立新的时空观、质能观、宇宙

的分析总结物质世界的各种规律。观。

意义

2、直接导致人类社会进入机械时2、从更深的层面把握大量高新技

代和电器时代。术，使人类物质文明提高到新阶段。

代表人物哥白尼、牛顿、伽俐略爱因斯坦、普朗克、玻尔、卢瑟福

二物理学的研究方法

1.古代：

主要依靠不充分的直观观察、思辩性猜测、形式逻辑的演绎和简单的推理，直觉地、笼

统地去把握物理现象的一般特性。

2.近代：

①观察方法从自然观察为主发展为以仪器观察为主；

②强调系统的有目的的实验；使物理学作为一门实验科学的特点显现出来；

③科学实验和数学方法的结合，使精确的、定量的物理学研究有了很快发展；

④分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展，促进了经验材料的整理和理论建构；

⑤到19世纪末统计方法的应用使由大量分子偶然事件组成的体系的宏观规律得以研

究。

3.现代：

①大型、精密仪器的创制、分析技术的发展和计算机的发明应用，使物理实验在精密、

快速和自动化方面都达到新水平；

②物理理论的公理化、数学化特征日益突出，现代物理成为数学物理学：

③由于物理学研究领域越来越远离人们的感性经验,创造性思维在创建新理论中的作用

更加突出；如科学想象、理想实验、大胆猜测，以及类比、直觉和灵感等非逻辑性方法；

④追求简单、对称、和谐与数学美。

三物理学基本观念的变更

当不断增加的感性经验知识尚可为原有的观念所容纳和理解时.，科学的发展表现为渐进

的积累；而当新的科学事实无法为原有的理论框架所包容时，就会发生科学革命，提出新的

基本观念。如：

※古代物理观与经典物理观：

地心说一日心说；亚里士多德的运动观与伽利落的运动观；

※经典时空与相对时空：

牛顿的绝对时空观:物质实在具有不变质量的粒子和粒子体系;力只引起运动状态的变化;

物体间只存在中心力作用；与媒质无关的即时作用；物质的运动状态只由初始条件唯一确定

的因果观；平直空间等。

爱因斯坦的相对时空观：奥思特电流磁效应一非中心力；法拉第电磁感应f力产生于空间

状态的变化；媒递作用；质量与能量有关E=mc2；时空具有非欧儿里德性质，引力只是“时

空”弯曲的表现。

※经典理论与量子论：

经典物理学的连续性原理一微观现象不连续性的量子化概念；

波和粒子的矛盾一波粒二相性概念；

精确测量原理f测不准关系；

机械决定性原理一采用有几率意义的波函数作为运动状态的描述

四.学习物理学史的目的

L加深对概念和理论的理解，启迪科学新思想的萌发和产生

随着人类社会的发展，物理学研究的内容和范围也不断扩大和深化。在古代，物理学只

是自然哲学的一部分，16世纪以后才从哲学中分离出来。以后又逐步建立了力学、热学、

电磁学、光学、相对论、量子力学、粒子物理等分支学科。

物理学史正是要研究物理学各个基本概念、基本理论的酝酿、产生和发展过程。通过物

理学史的学习，一-方面能加深对这些概念和理论的理解，另一方面可以从中受到启迪，有助

于科学新思想的萌芽和产生。

2.物理学史可以使我们认识到“科学是最高意义上的革命力量”

物理学史是科学发展史，而科学是人类发展的核心部分。每次物理学上的重大突破，都

会对人类社会发展产生重大影响，产生震撼人心的冲击和重大技术革命。特别是近代以来,

历次物理学重大进展通过技术革命为中心转化为直接生产力，从而推动了社会经济的发展，

并最终引发社会革命，推动人类社会从农业社会到工业社会，从蒸汽时代进入电力时代、电

子和原子能时代以至现今的信息时代。

另一方面，科学技术的进步也带来了一些当初料想不到的负面效应，如环境污染、生态

失衡、自然资源过度消耗等。最典型的就是原子能的利用：原子能发电和原子弹。

3.物理学史可以培养我们的科学思维，掌握科学研究的方法，加深对科学研究

的认识，可以活跃思想，开阔眼界，使我们的知识立体化。

拉普拉斯：“认识一位天才的研究方法，对于科学的进步，并不比发现本身更少用处，

科学的研究方法经常是极富兴趣的部分

在物理学的长期发展中创立了许多很成功的、成熟的方法。

物理学研究中建立了许多理想模型、思想过程、理想实验，这些近似抽象方法促成了许

多定律的发现。

另外还有观察和实验，分析和综合，归纳和演绎，类比和联想，猜测和试探，逻辑推理

方法，佯谬和反证方法，数学和定量方法，科学移植方法，科学假设方法，概率统计方法等。

爱因斯坦：“科学结论几乎总是以完成的形式出现在读者面前。读者体会不到探索和发现的

喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况」

华罗庚：“对书本的某些原理、定律、公式，我们在学习的时候，不仅应该记住它的结

论，懂得它的道理，而且还应该设想一下，人家是怎样想出来的，经过多少曲折，攻破多少

难关，才得出这个结论。”而物理学史将会把科学家在探索过程中的智慧之光带给同学们，

力图做到“授之以渔”。

4.可以使我们认识到思想观念转变的重要性

物理学理论的历史发展，最集中、最本质的表现在物理学基本观念和相应的物理世界图

景上的演变上。这种演变又鲜明的反映在物理学思想的根本变革。近年来，物理学的基本观

念经历了牛顿力学的“绝对时空+超距中心作用+机械决定论”，到经典电磁场理论的“非中

心力+媒递作用观+场”，到相对论的“相对时空+质能关系+等效原理+时空弯曲”到量子力

学的“量子态+不确定性+几率决定性”的深刻变革等。

物理学中复杂的数学公式和定义等，都不过是基本观念的表达形式和演绎工具，基本观

念才是先导的、本质的东西。所以，每当学习一个新理论，必须改变自己的思想观念和思维

方法。

物理学的发展总是以物理观念、物理思想的突破为先导和基底的。正是伽利落否定了亚

里士多德的自然运动和强迫运动的思想，得出惯性定律，才把力学的研究引上正确的途径。

马赫对牛顿绝对时空观的批判，深刻地影响了爱因斯坦，终于迈出了创立狭义相对论的

步伐。

5.物理学史可以培养同学们的爱国主义精神

正确认识中国古代文明，在当时的历史时期和历史条件下，中国和希腊成为东方和西方

两个古代文明中心，我们要为我国的古代文明而骄傲。

由于我国长期的封建统治以及后来清王朝的闭关自守，使我国的科学技术及各方面逐渐

落后于西方，所以我们又要看到我们现在的差距。只有努力，才能早日赶上和超过西方文明，

建设我们强大的祖国。

6.通过学习科学家的精神，培养同学们追求真理、献身科学的崇高思想境界

对科学研究要有一个正确认识。科学的道路是不平坦的,科学家成功之路是艰险的，要准

备付出比常人更多的精力和代价，必须有热爱科学、献身科学的精神，要善于继承又勇于创新,

才有可能取得成功。

牛顿怎样站在巨人的肩上、爱因斯坦十年的追光思考、居里一家的艰难困苦、卢瑟福长

期研究阿尔发射线以及量子理论早期发展所经历的曲折和磨难。从伽利略、牛顿到法拉第、

爱因斯坦，从外国科学家到中国科学家，他们的奋斗历程，他们的创造过程.物理学发展史中

每一次飞跃,经过了多少准备,又遇到那些矛盾。

总之，通过对物理学史的学习，可以进一步培养我们的①人文素质，②科学素质，③创

新素质，④思想素质，

开尔文晚年在回忆其科学生涯时说：“我过去五十年里所极力追求的的科学进展可以用

'失败’这个词来描述……当然在失败中必然有些悲伤，但在科学的追求中，本身包含必要

的努力，带来很多愉快的斗争，这就使科学家避免了苦闷，而且或许还会使他在日常生活工

作中相当快乐。”

爱因斯坦：“人只有献身于社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。”

五.学习方法

1.善于分析：

物理学经历了一个漫长发展的历史过程，我们在学习研究中，应该好好想一•想，为什

么一些科学家能够有所发现，而另一些人却与成功失之交臂？其社会背景是什么？……我

们应充分利用历史宝库提供给我们的资料，从中吸取营养。

2.注意联系

1）物理学与生产和科学实验的联系

物理学是以实验为本的科学，实验是人类有目的地变革自然的过程中认识自然的一种

手段，是人类发挥高度智慧的一种特殊的实践活动。

物理理论是在生产实践和科学实验的基础上发展起来的，实验可以检验物理科学理论

的正确与否，而实验的开展也离不开物理理论和思想的指导。

通过物理学史的学习，可以充分认识实验在物理学发展中的作用，端正对实验的认识。

2）物理学与数学的联系

数学是物理学家的思维工具，物理规律只有通过数学的形式才能完美地表达。没有对

数，就难于建立开普勒三定律；没有微积分，牛顿得不出万有引力定律；没有统计学，无法

发展分子运动论；没有黎曼张量，爱因斯坦的广义相对论就不能完善.总之，物理学的发展

离不开数学，而数学的发展也和物理学密切相关。毕达哥拉斯曾说“万物皆数”，而物理被

誉为“万物之理”，数理是人类智力训练和科学发展的一个重要组成。

3）物理学与技术的关系

物理学的发展与技术密切相关，如果没有真空技术、低温技术和电子技术，就不会有

现代物理学。同样许多技术的革新和发展，需要物理学家的合作。既不要鄙视技术工作，也

不要低估物理学的作用。如：激光技术、晶体管技术、超导技术、同位素技术、红外技术、

生物工程技术等等。

4）物理学与其他自然科学的关系

物理学与天文学、化学、地质学、生物学等自然科学也有密切关系。牛顿力学的直接基

础是天文学中的开普勒三定律；原子论起源于化学；而近代化学的基础则是量子理论。

现在产生的许多边沿科学最能说明这种关系：生物物理、激光化学、天体物理、地球物

理等等。

5）物理学与社会发展的关系

物质技术的发展：物质是基础，没有经济基础做保障，就没有技术的发展和进步，许多

实验工作就无法开展。

意识形态的进步：观念的变化，思想解放永远是科学突破的先决条件。

思考题：

1.物理学是如何分期的？主要分布于哪些地域？各时期的研究特点是什么？主要成就有

哪些？有哪些代表人物？

2.简述学习物理学史的目的和方法。

第一章.中国古代物理学

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。

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。

第一节：物质本原思想

一.元素与原子的观点

1.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

阳这个概念来解释自然界两种对立利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。

以天地而言，天气轻清为阳，地气重浊为阴：以水火而言，水性寒而润下属阴，火性

热而炎上属阳。

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。

《素问•阴阳应象大论》：“阴阳者，天地之道也，万物之纲纪，变化之父母，生杀之本

始。

阴和阳，既可以表示相互对立的事物，又可用来分析一个事物内部所存在着的相互对立

的两个方面。

事物的阴阳属性，并不是绝对的，而是相对的。这种相对性，一方面表现为在一定的条

件下，阴和阳之间可以发生相互转化，即阴可以转化为阳，阳也可以转化为阴。另一方面，

体现于事物的无限可分性。

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。

在中医学理论体系中，处处体现着阴阳学说的思想。阴阳学说被用以说明人体的组织结

构、生理功能及病理变化，并用于指导疾病的诊断和治疗。

“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。

太极图

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。

《周易》

《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，天地生出四时（春、夏、秋、冬），再生出‘八

圭卜’（天、地、山、泽、水、火、风、雷）。

八卦

八卦则是其形式化和符号化：一一为阴，——为阳，分别称作‘阴爻（y6。）'和‘阳爻'，

通过阴爻和阳爻的组合构成八卦。：乾、坤、震、撰、坎、离、艮（gen）,兑。

阴——阳——组合生成四象：

太阴少阳少阴太阳

四象和阴阳相互作用生成八卦:

天地雷风水火山泽

《周易》是以阴（阴爻一一）、阳（阳爻一）为基本单位而形成的一种对事物的理论性

把握。阴与阳二单位的不同组合形成八卦，将八卦中之任意两卦叠合即形成六十四卦。每卦

有六爻，共组成384爻。八卦的卦、爻、位之间，有复杂的关系，64卦的卦象变化和爻数

就更加复杂，它反映了事物之间错综复杂的相互关系。在易学中，事物的性质即由阴与阳所

占整体成份之多少及阴阳空间相对位置关系所决定。

《老子》说：“万物负阴而抱阳”。

周代人伯阳父将地震成因归于“阳伏而不能出，阴迫而不能蒸。”

八卦图和太极图：

乾

八卦与二进制：

若以阴爻一一表示0,阳爻——表示1,则坤卦三三即为000,乾卦三即为111,实际相

当于八进制：0---7。

故事

德国数学家莱布尼兹1679年提出“论二进位制”，1701年他将二进位制表寄给中国的

法国传教士白晋，白晋立即看出二进位制与中国伏羲八卦的六爻有关，遂回信并附寄伏羲

64卦图。1703年4月1日，莱布尼兹收到到回信和图，4月2日又复信，并将论文送出发

表，论文题目是：“二进位制计算的阐述”，副题是“关于只用。和1,兼论其用途和伏羲所

用数字的意义

2.五行思想

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,

土爰稼卷”（《解•潮》）

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”（烟

语•郑语》）。

相互关系：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生火、火生土；土克水、水克火、

火克金、金克木、木克土。木

发展：五行说的起源比“太极”、“道”等提出还早，在殷末

就已经普遍流传；春秋战国时期，五行说与阴阳说相结合，形成（\\

了阴阳五行说，五行的概念开始外延，形成了五行相生相克、生/\7一\x\

克制化的关系。宋代以后，科学家们把五行作为由太极到万物的I八J

中间环节，五行被容纳于宇宙生成体系之中。宇宙由无极（太极）

而生，由太极生出阴阳，由阴阳生出五行，由五行的相互作用，

生出男女及世间万物。

（和西方比较：古希腊的四根说，古印度的四大说，无金。）

3.原子的观点

名家：代表人物慧施（约前375~前318）：“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小

-»”（《庄子•郑》）。

儒家：“语小，天下莫能破焉”（《［庸》）。

墨家：“端，体之无厚而最前者也”，“非半弗暑万，则不动，说在端”（《墨经•经债）。

意思是‘端'无厚，不可再分。墨家观点的特征是：对物质可进行分割，但分割到'端'就不能

再分割下去。类似现在的原子观点。

相反观点：战国时期公孙龙提出：“一尺之趣，日取其半，万世不竭”（礼子・天E）。

（和西方相比：古希腊原子论：原子是不能再分割的最小单位。）

二元气说

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。

1.元气说

中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一种统•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（xiln）况也指出气是构成万

物的基本元素。

“通天下一气”思想与精气说：

《庄子女I北游》中记载:“人之生，气之聚也。聚则为生，散则为死。……故万物一也。……

通天下一气耳。”

《管子•内业》记载“凡物之精，比则为生。下生五谷，上列为星；流于天地之间，谓

之鬼神；臧于心中，谓之圣人。杲（gao,明亮）乎如登于天，杳（yao阴暗，隐没）乎如

入于渊，淖（nao泥沼，柔和）乎如在大海，卒乎如在于配（qi不长草木的山）”。

荀（xun）子（约前298~前238）《荀子•王制》：“水火有气而无生，草木有生而无知，

禽兽有知而无义，人有气有生有知有义，故谓天下贵也”

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”。

2.“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。

《论衡•言毒》说：“万物之生，皆禀元气。”

宋代《二程遗书》卷五说：“万物之始，皆气化

宋代朱熹《朱子遗书》说：“天地之间，一气而已。”

明代王廷相的《雅述》上篇说：“元气之上无物……”

王廷相《王氏家藏集》卷二十七说：“天地未判之前，只有一气而已。一气中即有阴

阳，……二者离之不可得

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

“地气上为云，天气下为雨”《黄帝内经•素问》；

“气有六，阴、阳、风、雨、晦、明”《左传•昭公元年》；

张载《正蒙•太和》：“太虚者，气之体…形聚为物，形溃反原”《正蒙・乾称》；“气不

能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚”“气之聚散于太虚，犹冰凝释于水，知太虚即气”。

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》。

张载（1020~1077,宋）简介：宋代唯物主义者，提出“元气本体论”和物质不灭思想，主要著作有

《正蒙》；

王夫之简介：明末清初人，学术著作较多，有《周易外传》，《张子正蒙注等》。

③气分阴阳，永远处于运动变化之中

阴阳二气的相互作用、相互感应，构成了天地万物存在与变化的多样性，天地万物变化

的实质即气的运动变化。张载《正蒙》：“气有阴阳，屈伸相感之无穷王夫之《张子正蒙

注》：“感者，交相感。阴感于阳而形乃成，阳感于阴而象乃著:西周末年的伯阳父解释地

震现象时说：“天天地之气，不失其序。若过其序……阳伏而不能出，阴迫而不能蒸，于是

有地震。”（《国语•周语》）

④物质不灭思想

王夫之《张子正蒙注•太和》：气“散而归于太虚，复其氤氯之本体，非消灭也。聚而为

庶物之生，自氤氯之常性，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。”

3.元气说的局限、以太和场

元气学说注重物质连续不连续的相互统一，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。

中国古代的气概念因为在理论上要泛化而更多脱离了自然存在的•种物质形态的范畴，

另一方面在抽象程度上又没能达到哲学的高度。在具体运用中气的内涵也是可以在抽象的元

气与具体的空气间漂移。尽管也被中国古人用来解释自然现象，但在中国的文化中，气更多

地成为了自然哲学层次的概念而不是物理学层次的概念。

1644年，笛卡儿提出以太旋涡理论，以解释原子间的虚空问题和超距作用。后经美国

传教士丁匙良的考证，他认为，笛卡儿的以太论可能来源于张载的元气论。

19世纪末，在场论的发展中，以太思想又有所体现，如在量子场论中采用了类似气形

转化的观点，即把光子看作是电磁场的表现形式，且每一种粒子对应一种量子场，以场的激

发和退激表示为粒子的产生于消失。这种看法实际上于元气的聚散状态的不同表现的观点基

本上一致。

4.评价

李约瑟认为：“元气，像现代人心目中以太波或辐射线。”

（JosephNeedham:ScienceandCivilisationinChina[J].Cambridgepress,Vbl,II,1962.472）

何祚麻先生则认为气”与其说是接近于以太，不如说更接近于现代科学所说的场”，“元

气学说……是现代量子场论的滥觞”。（杨仲耆，申先甲：物理学思想史，湖南教育出版社）

第二节物理学知识的积累

一力学

1.物理计量

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（xti）、亥。

天干和地支相互组合成“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。

b.十二时展记时法：子时：23〜1时，丑时：1〜3时，…,亥时：21〜23时。

表1-1十二时辰与24小时纪日法的对应关系

子时23〜1时辰时7〜9时申时15〜17时

丑时1〜3时巳时9〜11时酉时17〜19时

寅时3〜5时午时11〜13时戊时19~21时

卯时5-7时未时13〜15时亥时21〜23时

c.百刻时制（漏出记时制）：采用日号或漏壶将••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.测时化毒：

圭表一由圭和表垂直构成。利用太阳投影指示时间的仪器。表为直立的杆子，圭为一平

板，板上有刻度，由表向北延伸。

日辱：和圭表原理相似，由唇盘和唇针组成，唇针安在唇盘中央，并垂直与悬盘。

月辱星号

漏刻：《周礼・夏宫》记载：“挈(qie)壶氏：掌挈壶以令军井,皆以水火守之，以分

昼夜。”《隋制》上说：“《周礼》挈壶氏，其法总以百刻，分以昼夜，冬至昼漏四十刻，夜

漏六十刻，夏至昼漏六十刻，夜漏四十刻；春秋二分昼夜，各五十刻。”

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。下图为根据唐朝吕才《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。

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。

②度量衡

度---长度量---容量衡---重量

长度：《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

《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”。

衮量：一手所盛为“溢”，二手合盛为“掬”，“掬四谓之豆”

公元211年，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上对度量衡进行了统一，制发了一

大批度量衡标准器，意义重大。

a.计量单位：《汉书•律历志》详细记载：

长度单位：弓I、丈、尺、寸、分，十进制；

容量单位：斛（hU）、斗、升、合、命（yue）,十进制。

重量单位：石、钧、斤、两、铢，非十进制。

b.计量器具：

长度量具：最早商代的牙尺，等于现在的16.95cm；战国的铜尺，合现在的23.0cm；公

元9年，新莽时期的铜卡尺，长度14.22cm,分固定尺和活动尺两部分，相当于现在的游标

卡尺。另外还有唐朝镂牙尺（0.3m）、鎏金雕花铜尺、木尺、黄钟玉尺等。

远距离长度计量：唐宋时的丈杆、测绳、步车，特别是记里鼓车利用车轮的转动，间

接而自动的记录车行里数。

容量量具：斛、斗、升、合、畲（yue）o

重量量具：古人称之为‘衡'，衡的形式包括：等臂天平、不等臂天平、杆梓。权就是

祛码或秤花。1954年在湖南长沙战国楚墓出土了我国最早的等臂天平和祛码，天平为木杆，

杆端有两盘，还有以两为单位的九各祛码。

2.时间、空间和运动

①时间与空间

《尸子》“上下四方曰宇，往古今来曰宙"。魏国尸佼（前390〜330）。这里宇就是空

间，宙就是时间。

《庄子》中记载：“有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也。”即：宇是实在

的和无处不在的，宙有长短但无始终。

《墨径》：“久，弥异时也；宇，弥异所也”，弥-遍及的意思.在《经说》中对“久、宇”

进行了解释：“久，合古今旦幕；宇，蒙东西南北”。

时空无限性：庄子曰：“天与地无穷”，张衡说：“宇之表无极，宙之端无穷'’等；墨家：

“久，有穷，无穷”等。

②运动与静止

《墨径》：“动，域徙也"''止，以久也:这里'以'停止的意思。“边际徙者，户枢免瑟”

指转动；

③运动的相对性

《吕氏春秋》：“刻舟求剑”故事；

《隋书•天文志》：“乘船以涉水，水去船不徙也”，“仰游云以观，日月常动而云不移”（晋

代束皙xi262-301）o

《抱朴子•塞难》：“见游云西行，而谓月之东驰”（晋代葛洪283-343）

《春秋纬•元命苞》（汉代）：“天左旋，地右动”.

《春秋纬•考灵曜（yd。）》地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭牖（y6u）而坐，

舟行而人不觉”。比伽利略（1564-1642）相对性原理早一千多年。

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”。

（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。”

（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。”

（4）.重心与平衡

西安半坡仰韶文化（距今5000~6000年前）遗址出土的吸水陶罐：口小、腹大、底尖，

两侧耳环稍低于罐的重心。

西周及历代的欹（qi倾斜）器：又称宥（”u,宽容）坐之器，形状同上。

作用有二：

①容器：《荀子•宥坐》记载孔子观鲁桓公庙时所说“吾闻宥坐之器者，虚则欹，中则正,

满则覆”。

②劝告之器：告戒人们行为和思想不可过或不及。

王充《论衡》：圆物投之于地，是随遇平衡；方物及地，是稳定平衡；而山中处危峭之

大石则是不稳定平衡。

（5）浮力：曹冲称象等。

（6）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄127-200）«

（7）大气压力

西汉时期已利用虹吸管一渴乌，东汉时己广泛用于灌溉，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。”

（8）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”。

4力学知识应用

尖劈、辘箱、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓（dui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。

水转连磨被中香炉

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。

二热学

1.火的利用

※我国170万年前的元谋人已开始用火；

X6000多年前的半坡人已经用火烧制陶器；

※古人取火的三种方法：

①摩擦、打击：钻木取火、火镰和火石取火等；

②用铜制的凹面镜：即阳燧取火；

③用硫磺摩擦取火：和19世纪欧洲发明的火柴（洋火）相似。

2.对热现象和热本质的认识

①温度、湿度极其测量

以感觉分级：冰、寒、凉、温、热。掌握了冰点和人或动物体温这两个较恒定的温度标

准。《淮南子》：“睹瓶中之水而知天下之寒暑。”

“火候”：在烧制陶器和冶炼金属的过程中，通过对“火候”的观察，来定性的判断温度的

高低。《考工记》记载了青铜冶炼时火色与温度的关系：“凡铸金之状，金与锡。黑浊之气竭,

黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也。”即当"炉火纯青”

时，炉温达到1200℃左右，杂质挥发，铜锡融合，可以用来浇铸了。火色实际为物质原子

的发射光谱及其强度的表现。

湿度：《淮南子》：“琴弦缓，天且雨”“风雨之变，可以音律知之”，即现在毛发湿度计的

原理.

②热的传播

冰鉴：温酒器具殷周时期即有用青铜器制造的温酒器具，井用“冰室”冷臧食物：随县曾

侯乙墓出土的战国时期的“冰鉴”，外面是一个大方鉴，里面是方尊缶。即内容器盛酒，外容

器盛热水或冰。

伊阳古瓶：保温器具，南宋洪迈《夷坚甲志》：“张虞卿者…得古瓶于土中，置书室养花。

方冬极寒，一夕忘去水，意为冰裂，明日视之，凡他物有水者皆冻，独此瓶不然。异之，试

之以汤，终日不冷。…惜后为醉仆触碎，视其中，夹底厚二寸。”

温度与距离得关系：王充：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微。何则？气之所加远近

有差也。”

③热胀冷缩与热应力

热胀冷缩；增大热应力：在公元前250年都江堰水利工程中的应用记载：“大滩江中，

其崖崭峻不可凿，乃积薪烧之。”这种增大热应力开凿巨石的记载很多。

④物态的变化

汉代董仲舒在《雨雹对》到蒸发、液化、凝固三态的变化。对水的三态冰、水、和汽的

认识就更早；

王充在《论衡》中记载了对雨、露、霜、雪等的认识：云雨不是天上固有的，而是从地

面上蒸发上去的，雨露霜雪虽形式不同，但都是由水冷凝而成，只是形成温度不同。

北魏时期《齐民要术》中有“放火作熨”，即深秋傍晚在田地里烧柴草，使烟气弥漫，防

止霜冻。现在仍为农村沿用。

⑤热的本性

五行说：热（火）是构成物质的一种元素；

元气说：热这种物质的本原仍是气。

3热能利用与热功

碳：4000年前已有用碳的记载：

煤和石油：公元前2世纪已开始用煤，《山海经》《水经注》中都有记载，煤被成为石涅、

石墨、石碳等；石油的记载最早见于《汉书•地理志》，被称为治（wei）水。

高温技术：殷商时期在高温冶炼铸造技术方面就已卓有成效：殷代文物司母戊鼎、商代

的四羊尊、战国的铜尊盘、秦始皇陵的大型铜马车等。春秋末期制造的白口铁和中碳钢剑，

表明当时的冶炼已达到1300C的高温。

松脂灯：利用热气上升的原理，用于军事信号；

热气球：14世纪初元朝仁宗登基时在元大都（北京）升起世界上第一个热气球。

走马灯：利用冷热空气对流带动纸轮旋转。

4火药与火箭的发明

火药：四大发明之一。

火药玩具：火器，烟花等。

火箭：宋代的管形火器“突火枪”。

元代的铜炮：

明代的多种多发火箭：火弩流星箭（同时发射10股）：

一窝蜂箭（32只箭）；百虎齐奔箭（100只）；飞空震天雷、神火

飞鸦（雏形飞弹）及火龙出水（二级火箭）等。

万虎：明代官员，是“第一个企图利用火箭飞行的人。他用47

只最大的火箭绑在椅子背后，手拿两个大风筝，想借助火箭的推

力和风筝上升的力量飞向空中。1970年国际天文学会为了纪念他，

把月球背面的一个环行山命名为“万虎环行山

明《武备志》记载:“水战，可离水三、四尺燃火，即飞出水面二、

三里去远，如火龙出于江面，筒药将完，腹内火箭飞出，人船俱

焚。”发展了二级火箭装置。

三光学

（一）光源与光的本性

1.光源：

①太阳和月亮：甲骨文中用“明”字表示。

②火：甲骨文中“光”就是一个人举着一把火；

③灯：西汉的镭金长信宫灯：

④磷光：俗称“鬼火”

⑤萤火：“囊萤”读书的故事；沈括称其为“聚萤囊”灯笼，“有火之用，无火之热”；明

清时期将其用于水下诱捕鱼。

⑥荧光物质：用含有荧光物质的颜料作画。宋代《湘山野录》记载一幅画牛的画，白天看,

牛在栏外吃草，晚上牛则卧在栏内；

2.光的本性

中国古代认为气是宇宙万物之原，光为火，火为五行之一，五行是气的产物，因此光的

本质是气。

光行极限说：光的传播有一定范围，《周髀（bl）算经》中有“日照四旁各十六万七千

里。

光的传播有一定速度，需要一定时间等。

（二）几何光学知识

1.光的直线传播与小孔成像

《墨径》：景倒，在午有端与。景：光之人，照若射，下者之人也高，高者之人也下。

足蔽下光，故成景与上。首蔽上光，故成景与下。“（午：交叉；端：小孔）。

《梦溪笔谈》：”若莺（yuan）飞空中，其影随莺而移；或中间为窗所束则影与莺相违,

莺东则影西，莺西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂。”

赵友钦实验（宋末元初）：赵友钦实验在中国古代史上占有重要地位，其实验目的明确,

设计合理，步骤清晰，结果可靠，是中国物理学史上的的

一个首创。

赵友钦实验：实验中他固定几个条件，改变一个条件

来观察成像情况。实验分五步进行：①改变孔的大小，比

较成像情况；

②改变光源强度，作日月蚀模拟实验；

③改变像距；

④改变光源距离，观察小孔成像的变化：

18nC!友软实施装管

⑤改变孔的大小和形状，做大孔成像实验。

2.光的反射与镜面成像

《墨经》中论述了光的反射.，包括平面镜、凹面镜、凸面镜的反射情况。

平面镜：“景，日之光反烛人，则景在日与人之间”

凹面镜：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外、内。…中之内，鉴者近中，则

所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而必正，起于中缘正而长其直也。中之外，鉴

者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小而必易。合于中长直也“鉴洼”即

凹面镜，“中"为焦点，''易"即倒置。

凸面镜：“鉴团，景一。…鉴者近，则所鉴大，景亦大；其远，所鉴小，景亦小，而必

正”即鉴团只成一缩小的正立的像（虚）。

沈括：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”“小鉴不能全观

人面，故令微凸，收人面令小,，则鉴虽小而能全纳人面。仍覆量鉴之小大增损高下，常令

人面与鉴大小相若」

镜术：利用平面镜成像制成“万花筒”样的“魔镜”：日月镜、四规镜等。

清代黄履庄曾造“灯衢（qU道路”'：“做小屋一间，内悬灯数盏，人入其中，如至通街

大市，人间稠杂，灯火连绵，•望数里。”

清代郑复光造“罗汉堂”：从侧面小洞向里看“千门万户，百千罗汉”。

凹凸面镜：殷武丁时期就出现了凹、凸面铜镜。

透光镜：现上海博物馆珍藏有西汉时期的“透光镜”（青铜）。隋唐《古镜记》记载:

“承日照之，则背上文字，墨入影内，纤毫无失”。

3.光的折射与透镜

冰透镜：西汉《淮南万毕术》记载：”削冰令

圆，举向以日，以艾承其影，则火生。“

鲫鱼杯：宋代《春渚（zhu）纪闻》：“有一鲫,

长寸许，游泳可爱。水倒出，鱼不复见。复酌水

酒中，须臾一鱼泛然而起“蝴蝶杯”、“兰花杯”等。

4.光的色散

雨后成虹和造虹实验：

唐初孔颖达《礼记注疏》“日照雨滴则虹生”；

唐代张志和《玄真子》“雨色映日而为虹”“背日喷乎水，成虹霓之状。”

南宋蔡卞《毛诗名物解》：“云薄漏日，日照雨滴则虹生。今以水喷日，自侧视之，则

晕为虹霓…。故今雨气成虹，朝阳射之则在西，夕阳射之则在东。”

鸡子石英证含光图：

著名道士张果修炼内丹的著作《修真历验钞图》：讲到从白石英看到：“映日则光玉也…，

五色玄英白石英为无色透明晶体，属六角晶系。用白石英作的三棱镜对日光产生了色散。

明末方以智《物理小识》：“光肥影瘦”，即光线可沿曲线传播。

四电磁学知识

1.对电的认识

摩擦起电：*东汉王充《论衡》：“顿牟掇芥，磁石引针…他类肖似，不能掇取者，何也？

气性异殊，不能相感动也。”顿牟指玳瑁（爬行动物，形状象龟，这里指其壳）。（用元气解

释静电现象）；*西晋张华《博物志》记