中國(guó)古代趣味物理實(shí)驗(yàn)
刻魚(yú)測(cè)雨
漢代有一個(gè)奇特的物理實(shí)驗(yàn)，儀器是用玉石雕刻的魚(yú)。這種魚(yú)可能為橢圓形、中空，髟耆尾皆具。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且贼~(yú)的鳴吼來(lái)預(yù)測(cè)天氣。原文見(jiàn)《西京雜記》：“昆明池刻玉石為魚(yú)。每至雷雨常鳴吼，髟耆尾皆動(dòng)。漢世祭之祈雨，往往有驗(yàn)。”這個(gè)實(shí)驗(yàn)巧妙地運(yùn)用了共振效應(yīng)，效果相當(dāng)不錯(cuò)。使那些不知原理的人。對(duì)石魚(yú)產(chǎn)生敬仰，并頂禮膜拜。
我們清楚，風(fēng)暴時(shí)，強(qiáng)風(fēng)掠過(guò)海面會(huì)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(guò)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(lái)臨的警報(bào)。但次聲人耳無(wú)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(bào)警器。石魚(yú)就是這樣一種裝置：它張口，腹空，當(dāng)次聲波不斷對(duì)它施以周期性外力時(shí)，石魚(yú)作受迫振動(dòng)。若聲波的策動(dòng)力頻率與石魚(yú)的固有頻率成倍數(shù)關(guān)系，石魚(yú)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(shí)，石魚(yú)“髟耆尾該動(dòng)”，其聲學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為大聲“鳴吼”。
在中國(guó)古代，利用共振效應(yīng)預(yù)測(cè)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(dòng)，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(shí)地大震……又天鼓鳴，鐘鼓自嗚”;“漢武帝時(shí)，未央宮前殿鐘無(wú)故自鳴，三日三夜不止。詔問(wèn)太史，待詔王朔，朔言恐有兵氣。”
可見(jiàn)，“刻魚(yú)測(cè)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(lái)的。我國(guó)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(zhǎng)數(shù)丈細(xì)線穿過(guò)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(yǔ)，屬耳者聽(tīng)之了了，他人不聞也。”
這是一個(gè)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(duì)著細(xì)線一端的竹筒(發(fā)話筒)講話時(shí)，空氣發(fā)生振動(dòng)，它推動(dòng)皮紙與細(xì)線振動(dòng)。此時(shí)，細(xì)線另一端的皮紙也跟著振動(dòng)，這樣皮紙又帶動(dòng)竹筒(受話筒)內(nèi)空氣振動(dòng)，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(guó)古代，常常有人通過(guò)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。《墨經(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(tīng)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(tīng)甕”相似。可以認(rèn)為，“罌”相當(dāng)于“聽(tīng)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(tīng)翁”裝置與當(dāng)今有線電話也相似，如果把“聽(tīng)翁”裝置說(shuō)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(shí)，鑄在鏡子背面的銘文圖案，還會(huì)“透”過(guò)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(tái)。透光鏡始于西漢。它與編鐘、魚(yú)洗一起，被稱為中國(guó)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(jiàn)于隋唐的《古鏡記》，因文字較長(zhǎng)，不作敘述。現(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(shuō)：“人有原其理，以為鑄時(shí)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)。”這種解釋合符科學(xué)道理。顯然，透光鏡鑄成后，鏡面會(huì)有肉眼不易覺(jué)察的與鏡背銘文相對(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)》、《云煙過(guò)眼錄》、元代的《間居錄》、清代的《銅仙傳》、《鏡鏡言令癡》、《前塵夢(mèng)影錄》、《淵鑒類函》等等均有涉及。
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