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中國古代趣味物理實(shí)驗(yàn)
刻魚測雨
漢代有一個奇特的物理實(shí)驗(yàn),儀器是用玉石雕刻的魚。這種魚可能為橢圓形、中空,髟耆尾皆具。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且贼~的鳴吼來預(yù)測天氣。原文見《西京雜記》:“昆明池刻玉石為魚。每至雷雨常鳴吼,髟耆尾皆動。漢世祭之祈雨,往往有驗(yàn)。”這個實(shí)驗(yàn)巧妙地運(yùn)用了共振效應(yīng),效果相當(dāng)不錯。使那些不知原理的人。對石魚產(chǎn)生敬仰,并頂禮膜拜。
我們清楚,風(fēng)暴時,強(qiáng)風(fēng)掠過海面會產(chǎn)生次聲波,次聲波和風(fēng)暴怒吼的聲波一起向四面八方傳播,聲波很容易被空氣和大海“吃”掉,唯有頻率很低的次聲波在傳播過程中能量損失慢、傳播距離遠(yuǎn)。加之次聲波比風(fēng)浪速度快許多倍,它能成為風(fēng)暴來臨的警報。但次聲人耳無法分辨,如果能制造一種儀器,將次聲變?yōu)榭陕劼暎敲催@一裝置就成為一種風(fēng)暴報警器。石魚就是這樣一種裝置:它張口,腹空,當(dāng)次聲波不斷對它施以周期性外力時,石魚作受迫振動。若聲波的策動力頻率與石魚的固有頻率成倍數(shù)關(guān)系,石魚產(chǎn)生非線性共振,發(fā)出聲波。其中,高頻部分為可聞聲。此時,石魚“髟耆尾該動”,其聲學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為大聲“鳴吼”。
在中國古代,利用共振效應(yīng)預(yù)測天氣、地震、兵亂的例子不勝枚舉。如:“石鼓,冀縣有天鼓山,山有石如鼓,河鼓星搖動,則石鼓鳴,鳴則秦土有殃”;“陜州黃河有鐘,大水小水常自浮出,每昧朔陰雨之日輒鳴,聲響悲亮,行客聞之莫不愴然”;“康熙戊申六月十七日戌刻,山東、江南、浙江諸省,同時地大震……又天鼓鳴,鐘鼓自嗚”;“漢武帝時,未央宮前殿鐘無故自鳴,三日三夜不止。詔問太史,待詔王朔,朔言恐有兵氣!
可見,“刻魚測雨”實(shí)驗(yàn)有其堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),這些理論是在不斷觀察、分析中總結(jié)出來的。我國漢代就有如此奇妙的實(shí)驗(yàn),這的確是炎黃子孫值得驕傲的事情。
固體傳聲
“截竹筒兩枚,空其兩端,各以一面用皮紙冒之,膠封甚固。兩筒紙面相向,取長數(shù)丈細(xì)線穿過之,使兩人各執(zhí)一筒,一人屬口于此筒之空面,一人屬耳于彼筒之空面,相去數(shù)丈,屬口者隨意言語,屬耳者聽之了了,他人不聞也!
這是一個證明固體也能傳聲的實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)行初中物理課本也能找到。實(shí)驗(yàn)中的裝置,叫“傳聲筒”,今稱“土電話”。很明顯,當(dāng)有人對著細(xì)線一端的竹筒(發(fā)話筒)講話時,空氣發(fā)生振動,它推動皮紙與細(xì)線振動。此時,細(xì)線另一端的皮紙也跟著振動,這樣皮紙又帶動竹筒(受話筒)內(nèi)空氣振動,把聲音傳給受話的一方。這里,話筒起著“共鳴”箱的作用。 在中國古代,常常有人通過挖掘地道的方法向城內(nèi)發(fā)起進(jìn)攻,為了判辨敵方是否采用這一手段,就得使人偵察!赌(jīng)》云:“令陶者為罌,空四十斗以上,固(順)之以薄革各革,置井中,使聰耳伏罌而聽之,審知穴之所在,鑿穴迎之!
仔細(xì)分析,上述“傳聲筒”與《墨經(jīng)》中的“聽甕”相似?梢哉J(rèn)為,“罌”相當(dāng)于“聽話筒”,敵人的地道相當(dāng)于“發(fā)話筒”,而連接地道與罌里的泥土相當(dāng)于“線”。不僅如此,“聽翁”裝置與當(dāng)今有線電話也相似,如果把“聽翁”裝置說成是電話的始祖,應(yīng)當(dāng)是可以使人接受的。
銅鏡透字
古代有一種鏡子,用銅鑄成,不僅能照人容貌,而且當(dāng)光束射到鏡面時,鑄在鏡子背面的銘文圖案,還會“透”過鏡子映現(xiàn)在屋壁上,非常清楚。這種鏡子叫“透光鏡”,現(xiàn)已作為演示實(shí)驗(yàn)儀器將它搬上講臺。透光鏡始于西漢。它與編鐘、魚洗一起,被稱為中國古代青銅三寶。
用透光鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,最早的文字記載見于隋唐的《古鏡記》,因文字較長,不作敘述,F(xiàn)摘北宋沈括的實(shí)驗(yàn)記錄如下:
“世有透光鑒,鑒背有銘文,凡二十字,字極古,莫能讀。以鑒承日光,則背文及二十字皆透屋壁上,了了分明。”
銅鏡何以透光?沈括說:“人有原其理,以為鑄時薄處先冷,唯背文上差厚,后冷而銅縮多。文雖在背,而鑒面隱然有跡,所以于光中現(xiàn)!边@種解釋合符科學(xué)道理。顯然,透光鏡鑄成后,鏡面會有肉眼不易覺察的與鏡背銘文相對應(yīng)的微小起伏,這種微小起伏是在鑄造加工中形成的。鑄鏡時,鏡背的花紋凹凸處凝固收縮,產(chǎn)生鑄造應(yīng)力,加之鏡面在研磨時產(chǎn)生壓應(yīng)力,造成彈性形變。當(dāng)鏡面研磨到一定的程度時,這些因素共同作用,使鏡面產(chǎn)生與鏡背銘文相應(yīng)的曲率。光束照在鏡面,鏡的微小起伏經(jīng)光程放大,便顯示出其“透光”效應(yīng)了。關(guān)于透光鏡的文字記載還有許多,如宋代的《癸卒雜識》、《云煙過眼錄》、元代的《間居錄》、清代的《銅仙傳》、《鏡鏡言令癡》、《前塵夢影錄》、《淵鑒類函》等等均有涉及。
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