中国古代的物理知识的自然百科

[拼音]：Zhongguo gudai de wuli zhishi

中国古代的物理知识主要包括春秋战国以前（公元前770以前）、春秋战国（公元前770～前221）、秦汉到五代（公元前221～公元960）、力学方面、光学方面、声学方面、电和磁方面、热学方面、宋、元（960～1368）、力学方面、光学方面、声学方面、电和磁方面、热学方面、明到清中期（1368～1840）、力学方面、光学方面、声学方面、律学方面、电和磁方面的内容。

春秋战国以前（公元前770以前）

中国至迟在西周时，就以壶漏测时，以圭表测影，以定方向、定节气和定时刻。《诗经》所记载的管、弦以及打击乐器有29种之多。这时已出现了十二律和七声音阶。能制作比较复杂的车船，以及桔槔等一类简单机械。有一种欹器，“虚则欹，中则正，满则覆”（《荀子·峟坐》）或许是加水后重心发生变化造成的，也可能是仰韶文化时期尖底陶罐的发展。并已发明了聚集日光而点火的阳燧（凹面镜），以烽火作为军事通信的信号。人们知道收藏冰，利用冰来冷藏。

人们对宇宙万物的本原作了最初的探索。提出了“五行说”，认为宇宙万物是由金、木、水、火、土五种基本元素构成的；提出了“阴阳说”，以阴与阳的矛盾运动解释种种自然现象；还有“八卦说”，以线段“--”和“—”表示阴和阳，每3个一组组成8种基本符号， 各代表一定属性的事物（如“剄”代表水），即八卦；又以它们的排列组合形成64卦，384爻，以此解释自然现象的千变万化。

春秋战国(公元前770～前221)

《墨经》和《考工记》，是这一时期代表性的科学技术重要著作。

墨翟（约公元前468～前378）和他的弟子们是这个时期研究物理知识成就最大的学派，他们的代表作《墨经》记述了许多物理知识。尤其在光学方面，连续记述了影的生成的道理；光线与影的关系；光直线行进实验；光反射特性；从物体与光源的相对位置关系而确定影的大小；平面镜的反射现象；凹面镜的反射现象；凸面镜的反射现象。这是世界古代科学史上一篇难得的几何光学著作。（见《墨经》中的物理知识）

《考工记》传为春秋战国之交齐国人的著作。它是中国古代一部手工技术规范的汇集。在记述各种手工技术的同时还阐明了一些科学道理，其中包括力学、声学和热学的知识：在力学方面，有车轮、箭杆的均匀对称检验法，有关于皮革受力和变形情况的描写；最早记述了惯性现象；从实践经验中记述斜面受力情况；分析了箭的各部分结构与飞行的关系；记述了冶铸时判别火候的知识。在声学方面，指出磬（石板乐器）发音高低与板厚的关系，特别是详细叙述了钟的制造及其音响情形。首先叙述了制钟的合金比例：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐。”然后在《凫氏》篇中按顺序以六段文字叙述钟的制作技术，包括钟体各部分的尺寸比例；钟壁厚薄、钟口形状与发声的关系；为调音而磨锉钟壁的方法。全篇254个字，层次分明，逻辑严谨。这是世界上最早论述制钟技术的文章。（见《考工记》中的物理知识）

《管子·地员篇》中记载了中国定律调音的三分损益法（见中国古代律学）。《庄子·杂篇·徐无鬼》中最早记载了弦线的共振现象：“为之调瑟，废（即置之意）一于堂，废一于室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。夫或改调一弦，于五音无当也，鼓之，二十五弦皆动。”

在此时期关于物质结构的思想有：《管子·水地篇》中说，水是万物（无机界）和诸生（有机界）的统一本原；名家惠施则认为“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一”(《庄子·天下篇》)。名家公孙龙提出“一尺之棰，日取其半，万世不竭”（同上书）的论断，表明他认为物质是无限可分的。公元前4世纪的宋钘和尹文提出宇宙万物统一于“气”的学说。在中国以后的历史时期里，原子论的思想并未展开，元气说却有了长足的发展。

秦汉到五代（公元前221～公元960）

从秦汉到五代的约1200年间，各种物理知识都有所发展，特别在这时期成书的《尚书纬·考灵曜》、《淮南子》和《淮南万毕术》、《论衡》、《博物志》等书中，有不少有关的记述。

力学方面

简单机械的联合使用有了大发展。张衡制造了水运浑天仪，他采用齿轮系把浑象和表示时间的壶漏结合在一起，以流水下落的力量带动齿轮，齿轮带动浑象旋转。公元132年，他还制造了世界上第一个地动仪(见彩图)，用以测定地震的震源方向。公元2世纪毕岚发明了“渴乌”，即虹吸管，逐渐广为应用；后来唐代杜佑《通典》卷一百五十七中有“渴乌隔山取水”条：“以大竹筩雌雄相接，勿令泄漏，以麻漆封裹，推过山外，就水置筩，入水五尺，即于筩尾取松桦干草，当筩放火，火气潜通水所，即应而上。”张衡、三国时马钧和南朝宋祖冲之都曾制造过指南车，这是一种指示方向的机械装置。汉代长安巧工丁缓造被中香炉（银薰球，(见彩图)）， “为机环转四周，而炉体常平”（刘歆《西京杂记》），这或许是世界上最早的常平支架。西汉时有一种天平验湿器的发明（见淮南王书中的物理知识）。

在以上各种大型机械和小型器具创制的同时，诞生了不少有关制作的专著。如北齐信都芳撰《器准》，集“浑天、地动、欹器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”（《北齐书·信都芳传》），这可能是中国历史上第一部科学仪器图著。可惜这些涉及到机械制造和力学原理的书籍都早已失传。

在王充的著作中，对物重和运动的关系作了粗略的描述：“是故车行于陆，船行于沟，其满而重者行迟，空而轻者行疾。”“任重，其进取疾速，难矣。”（《论衡·状留篇》）这段话指出，在一定的外力条件下，重量越大的物体改变开始运动状态越难。他的著作中还有许多关于力和运动的描述。

在这时期，对流体的一般性质有所记述、探讨并实测了一些物体的比重，知道刻漏的流水速度会随温度变化。由于虹吸管在生产上的应用，又引起人们去探讨它的道理。《关尹子》写道：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则（水）不降。井虽千仞，汲之水上，盖（气）不降则（水）不升。”唐代王冰在《内经素问注》中写道：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而（水）不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而（水）不能入也。”

唐代僧一行（名张遂）和南宫说等人在开元十二年(724)分赴11个地方测量北极高度和圭表日影长度。南宫说在河南的滑县、开封、扶沟、上蔡测量了它们之间的距离。在计算影差和南北地距关系时，他们曾以北极高度（即地理纬度）差与地面距离作比较计算，结果发现南北地距351.27唐里（约129.22千米），北极高度相差一度。这是中国第一次子午线的实际测量。

在这一时期的大量的本草著作中，有许多关于结晶体几何形状的描述。公元前2世纪，韩婴所著《韩诗外传》中，已有关于六角形雪花的观察记载，在《尚书纬·考灵曜》中，有运动相对性原理的叙述（见《尚书纬·考灵曜》中关于相对性原理的概念）。晋代葛洪在《抱朴子》中记述相对运动的现象：“游云西行，而谓月之东驰。”《关尹子》中还论述了关于舟和水是谁在运动的古老争论。晋代束皙认为，“乘船以涉水，水去而船不徙矣”（《隋书·天文志》）。

光学方面

制作出青铜镜，凹面镜阳燧被普遍用于取火。《淮南子》中初步探讨了阳燧焦点问题。在汉代，人们已知道平面镜的组合。晋代郭象在《〈庄子〉注》中说：“鉴以鉴影，而鉴亦有影，两鉴相鉴，则重影无穷”。《淮南万毕术》中有潜望装置的记载（见淮南王书中的物理知识）。

汉代开始，中国就有“透光镜”。当一束光线射到这种金属镜的镜面时，经过反射，镜背面的花纹能清楚地映现在屏上，于是古代人就称它为“透光镜”。不能穿过不透明物质的光线，似乎能“透过”金属铜，把镜背面花纹反映出来，这种奥妙引起了历代人的注意。现代日本和西欧各国分别称它为“魔镜”、“不等曲率镜”。

对虹、色散现象的记述和实验是这时期光学上的又一成就。汉代蔡邕在《月令·章句》中描述虹的形成条件：“虹见有青赤之色，常依阴云，而昼见于日衝，无云不见，太阴也不见，见輙与日相互，率以日西，见于东方。”唐初孔颖达在《〈礼记〉注疏》中写道：“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”8世纪中期，唐代张志和在《玄真子》一书中写道：“背日喷乎水成虹霓之状”，这是人造虹的简单实验。晋代葛洪在《抱朴子》中描写了五种云母，向日举之，可以看见各种色光。他以各种颜色的多寡把云母分类。

张衡对月光及月食现象作了正确的解释，在《灵宪》中说：“月光生于日之所照，魄生于日之所蔽。当日则光盈，就日则光尽。当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是谓暗虚。”

《列子·汤问篇》记载了“小儿辩日”的有趣故事。两个儿童争论太阳究竟在早晨还是在中午距地面近。对于这个复杂的光学问题，晋代束皙认为“此终以人目之惑，无远近也”（《隋书·天文志》），即与人的视幻觉有关。

声学方面

乐器有所发展。唐大中(847～860)初，调音律官郭道源在若干碗内盛不同数量的水，加减水量而改变其音调，用这样一组碗碟式乐器奏出优美的音乐。有大量典籍记载了各种乐器有共振现象。晋代张华、唐代乐律家曹绍夔还掌握了消除铜钟共振的方法。

音律学也有发展，荀勖对管口校正数的计算和何承天创制属于平均律体系的新律，是此时期的重要声学成就。

电和磁方面

王充对古老的“司南”这种利用磁性指南的器物，明确记载了其形状、用法和指向（见指南针）。人们不仅知道磁石吸铁现象，还发现了磁的排斥现象，《淮南·万毕术》中有“磁石拒棊”的记载。人们对磁石在防盗、防刺、作战和医疗上的应用也有一些幻想式记述。

人们在汉初发现了琥珀和玳瑁摩擦后出现静电吸引现象，三国时还有“虎魄不取腐芥”（《三国志》卷五十七注）的记载。张华的《博物志》中载有“今人梳头，脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声”；叙述了起电现象，既看到静电闪光，又听到放电声。陶弘景发现，当用布和琥珀摩擦代替手摩擦的方法时，琥珀的静电吸引力明显增大。唐代段成式发现用手和活猫摩擦时的静电火花。

热学方面

早在战国时期，人们已知“冰，水为之而寒于水”（《荀子·劝学》）；东汉王充从气象着眼记述了物态的变化（见《论衡》中的物理知识）。南北朝时的《关尹子》中写道：“曰寒暑温凉之变，如瓦石之类，置之火即热，置之水即寒，呵之即温，吹之即凉。特因外物有去有来，而彼瓦石实无去来。”它认为瓦石发生寒暑温凉之变是由于一种“外物”来去的结果，可以说是对热的描述。

宋、元(960～1368)

宋、元时期的400余年间，中国的物理知识有较大的发展，除了较集中于沈括的《梦溪笔谈》、赵友钦的《革象新书》以外，大量地散见于笔记小说一类的书籍中。

力学方面

虽然在这时期之前已有指南车和记里鼓车，但是关于它们的结构直到宋代才留下较详细记载。根据这些记载，指南车是以车轮、平轮、立轴等各种齿轮的复合运动为基础的，只要在车子开始运动时把车上木人手指向南方，以后不管车向那个方向转动，车上木人将一直指南。记里鼓车是利用车轮带动大小不同的一套齿轮，使车轮走满一里时，有一个齿轮刚好转一圈，并拨动车上木人打鼓一次。这些复杂机械的制造，说明中国古代人娴熟地掌握了有关齿轮系传动的知识。

另一个伟大发明是苏颂和韩公廉在1092年制造了一架大型的水运仪象台。其中有一套称为“天衡”的杠杆装置，相当于现在钟表装置中擒纵器，以保证计时装置的齿轮等时转动。

产生于宋代的铜制喷水鱼洗，在摩擦它的两耳时会出现复杂的驻波，使水喷突而出。这种工艺品至今还吸引许多人的注意。

宋代曾公亮主编的《武经总要》中转述《通典》所载的渴乌隔山取水，类似于真空抽水泵的应用，有更多人去探讨它的原理。宋代俞琰在《席上腐谈》中写道：“予幼时有道人见教，则剧烧纸片纳空瓶，急覆于银盆之中，水皆涌入瓶，而银盆铿然有声，盖火气使之然也。又依法放于壮夫腹上，挈之不坠。即如铜（管）水滴，捻其窍，则水不滴，放之则滴。”曾公亮和俞琰等人都认为，上述这些现象的关键在于瓶或管内是否有“气”。

宋僧怀丙曾于宋治平三年(1066)左右用浮船打捞沉落江中的万斤铁牛，“以二大舟实土、夹牛维之，用大木为权衡状，钩牛，徐去其土，舟浮牛出”（《宋史·僧怀丙传》）。这是现代起重浮艇原理的最早应用。

这时期有两项有关流体力学的重要发明。一是用莲子、鸡蛋或桃仁测量盐水浓度。宋代姚宽在其所著《西溪丛语》中指出：当盐水浓度不同时，它们会在水中呈现不同浮沉状态；元代陈椿在《熬波图咏》中记述的方法是:先把莲子分浸于已知浓度的四等盐水中（最咸;三分盐一分水；半盐半水；一分盐三分水），然后将这四种莲子浸于未知浓度的盐水中，根据这些莲子各自的浮沉状态，即可定盐水浓淡程度。二是相当于现在的“表面张力演示仪”的发明：宋代张世南在《游宦纪闻》中讲到：用细竹篾一条，一头弯成圆圈，蘸上桐油即可试桐油好坏：若上好桐油，竹圈上有一薄层油面；若桐油内有杂质，则油膜不附着在圈上。

光学方面

沈括第一次用类比演示实验来验证月亮圆缺的科学道理，在《梦溪笔谈》卷七中有：“月本无光，犹银丸，……以粉涂其半，侧视之，则粉处如钩；对视之，则正圆。”他曾实地观察并解释雨虹。但他对光学的最重要贡献还在于他研究了各种镜子并作了理论的探讨。

宋末元初的赵友钦在其所著《革象新书》中描述了一个有关小孔成像的光学实验，其规模和方法有很高的科学性。

关于色散知识在这时期有了发展。许多典籍记载了晶体的色散现象。如杜季扬《云林石谱》卷上中描述石英“映日射之，有五色圆光。其质六棱。或大如枣栗，则光采微芒；间有小如樱珠，五色粲然可喜”。程大昌的《演繁露》中对露滴分光现象作了细致的叙述：“凡雨初霁或露之未晞，其余点缀于草木树叶之末，欲坠不坠，则皆聚为圆点，光莹可喜。日光入之，五色俱足，闪烁不定，是乃日之光品，著色于水，而非雨露有此五色也。”

声学方面

沈括在研究了古乐钟的形状(扁圆)以后，对其音响效果作了精辟的分析。他认为，圆形钟音长，有哼音，在快速节奏中发音相互干扰，不成音律；而扁圆形钟音短，因此可以演奏。这就是古代人把钟铸成扁圆形的道理。1978年考古学界在湖北随县发现战国初期曾侯乙墓中一套编钟共65个（见彩图），对其发声的研究证明，它完全符合沈括当年的论述，从此揭示了扁圆形钟是可以发展下去的最古老的乐器(还有共振等其他声学成就，见沈括)。

约12世纪下半叶，南宋初年的赵希鹄认真地探讨了古琴等乐器的声学技术问题。在他所著《洞天清禄集》中描写了制琴材料桐木的质地与其发声的关系。为了使发声低微的古琴有较大的音响，他建议修建“弹琴之室”，而且对这种古代音乐厅的设计，写了具体的构想。

电和磁方面

指南针和罗盘在此时期有了大发展。人们发现孔雀毛的静电吸引现象。沈括在《梦溪笔谈》中记录了一个重要现象：在一次雷击中，在雷电的通路上的金属物质（刀鞘里的宝刀）全被融化了，而皮革却依然如故。受沈括记载的启发，庄绰在南宋初年也观察到类似现象，在《鸡肋编》中记录雷电烧毁了南雄州福慧寺普贤像，佛像身上凡金属彩色全部消蚀，而其余色彩如故。此后有关这方面的大量记载，使人们理解金属物质与漆器各有特性。

热学方面

曾公亮主编的《武经总要》中记载了世界上最早的三种火药配方，在发明火药的基础上，出现了各种火药武器。以火药喷射推进的火箭至少在13世纪初期已经发明，并在战争中实际使用。

宋代陶瑴在《清异录》中第一次记载了“火寸”的制作方法：“夜中有急，苦于作灯之缓，有智者批杉条，染硫磺，置之待用，一与火遇得焰，穗然既神之，呼引光奴，今遂有货者，易名火寸。”类似的另一些制作物“发烛”或“焠儿”，发明时间可能还要早。

元末陶宗仪曾亲自做过热胀冷缩实验。他把带孔窍的物体加热后，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”。他明确地讲到，这是前一个物体“煮之胖胀”的缘故（《南村辍耕录》卷二十三）。

明到清中期(1368～1840)

明、清时期， 西方科学的发展已超过中国，传教士来华促进了东西方的交流。

力学方面

主要成就见于宋应星的《天工开物》一书。它是世界上最早诞生的有关农业和手工业生产技术的百科全书。它在17世纪世界科学技术中也是一部非常重要的著作。在卷十五《佳兵篇》中记述了测量弓的弹力的方法：“以足踏弦就地，秤勾搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少。”在卷九《舟车篇》中记述了风帆与舟身比例的关系：“凡风篷尺寸，其则一视全舟横身，过则有患，不及则力软。”还论述了风帆高度与受力大小的关系；详细地分析了“抢风”（风从横来）时的风向、航向以及张帆方向之间的关系；论述了舵的长短对舵力大小、舵的方向对船运动方向的影响。他还指出以金、银、铜三者的比重不同作为识别三种金属的方法。

在清康熙和乾隆年间，清政府组织了两次大规模的大地测量工作。在1708～1718年间进行的一次，在全国测量了630多个地方的经纬度，建立了以北京为中心的经纬网。在这次测量中，决定以工部营造尺为标准， 定1800尺为一里，200里合地球经线一度。这种使长度单位与地球经线一度弧长相关的度量衡制，在世界上是一个创举。在实测经线一度之长的过程，还发现每度经线因纬度高下而有差别。

王夫之根据中国传统的元气说，推测出物质和运动守恒的思想（见王夫之的物质和运动守恒思想）。

光学方面

方以智、黄履庄、孙云球、郑复光、邹伯奇等人都有所贡献。他们或制造光学仪器，或讨论有关原理，或兼而有之。

声学方面

明代庄元臣明确提出"声发则气振"(《叔苴子·内篇》)的思想。方以智《物理小识》卷一记述了空甕砌墙，口向内，则声音不外传的隔音技术。明嘉靖九年(1530)，在北京天坛建造的回音壁、三音石和圜丘都有独特的声响效应。（见彩图）

律学方面

明代朱载堉完成了十二平均律，在世界声学史上也是一项重大贡献。

电和磁方面

除指南针和罗盘在航海中得到普遍应用外，还有一个重要发现，即观察到磁屏蔽现象。刘献庭在《广阳杂记》卷一中写道：“磁石吸铁，隔碍潜通，何物可以隔之？犹子阿孺曰：‘堆铁可以隔耳。’)其人去复来，曰:‘试之果然。’”明代张居正发现貂裘及绮丽服装跟人体摩擦的起电现象。几乎和张居正同时，都邱在《三余赘笔》中记述了一种丝绸的摩擦起电实验：“吴绫为裳，暗室中力持曳，以手摩之良久，火星星出。”