趣味物理实验_为您服务教育网
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中国古代趣味物理实验1



  摘要:将分布在中国古籍中的一些趣味性浓的物理实验收集拢来予以介绍,扼要地分析了实验原理与方法,指出其在当今物理学中的应用,对了解中国古代物理实验产生、变化、发展的历程具有参考价值。

  继“中国古代趣味物理实验拾零”、“中国古代趣味物理实验十摘”之后,又从古籍中挑选出部分趣味物理实验予以介绍。并扼要分析实验原理与方法。

  1 迎风转秫

  《帝京景物略》云:“剖秫秸二寸,错互贴方纸,其两端各红绿,中孔,以细竹横安秫竿上,迎风张而疾趋,则转如轮,红绿浑浑如晕。”

  这是一个利用风能去推动秫秸转动的实验,实验演示了颜色合成。仪器制作与实验过程大体如此:将去掉穗的高粱杆截成若干段,每段长二寸,剖开。分别把红纸、绿纸剪成方形,并把它们交叉地贴在高粱杆的两端。把高粱杆也交叉放在一起,在交叉的高粱杆的中部钻孔,用细竹一端穿过小孔作为转轴,手持细竹另一端逆风行走,纸片张开,高粱杆快速转动,状如飞轮。此时,红绿两种颜色就像日晕那样浑然一体,形成十分美丽的色环。

  本实验中的“仪器”,人们称它为“风车”,是一种儿童玩具。这种“仪器”,在中国古代统治者心目中,肯定不能登大雅之堂。因此,从事科学研究的人们,总是想方设法把自己的发现以玩器的形式保存下来,以启迪思维,激发智力。

  2 著翼起飞

  《汉书·王莽传》云:“取大鸟翮为两翼,头与身皆著毛,通引环钮,飞数百步堕。”这是一个滑翔飞行实验:用大鸟羽拼合成两只大翅膀,用牵引线把它们固定在人身两侧,人从头到脚装上羽毛,然后拉着牵引线迅速奔跑,就会象鸟儿一样飞向空中,飞行数百步掉下。我们清楚,鸟在飞行时,翅膀的上面往往向上凸起,下面平直或略微凹进。如果直接将大鸟翅膀作飞翼,或将若干鸟的羽茎拼织成鸟翼形状,那么人拉着“翅膀”迅跑时,空气就相对“翅膀”向后移动。因“翅膀”上凸下平,流过“翅膀”上面的空气,需要绕一个弯,其流速要比“翅膀”下面空气的流速快。这样,“翅膀”上面空气流速快,压强小,“翅膀”下面空气流速慢,压强大,使“翅膀”上下产生压强差。这个压强差,会产生一股把“翅膀”向上托起的升力,这个升力可把物体托向空中。

  这个实验,是人类第一次进行滑翔飞行的实验。它惊险,有趣,尽管可能不会成功,但试验者需承担较大风险。由此可见,我们的祖先何等聪明和勇敢。

  3 水中浮丹

  宋代洪迈在《夷坚志》中介绍:“宣和中,蔡鲁公闭居京师,有方士持阴阳丹一两许,如弹子大,色正红,以献之。置之水中,随十二时上下,六阳时则浮上,六阴时则沉。仍各准其方位,不差晷刻。”

  阴阳丹的组成成份是什么,洪迈没有说明。但在宋代,“水中浮丹”的研究是比较深入的,哪些材料制丹能在水中自由游走,哪些材料制丹可在水中自动沉浮,实验一丝不苟。苏轼就曾提到:“獐脑黄蜡和匀染黑,投水中作蝌蚪,自然水中走动。”《格物粗谈》中的“浮水金丹”是用樟脑、银珠捣成的。此外,《北梦琐言》还记载了一个盆中游鱼的实验:“戍州刺史文思辂亦有戏术,曾剪纸鱼投于盆内活。”从洪迈的记录看,阴阳丹在水中的运动很像潜水艇的沉浮。这使人想起阿基米德原理:浸入液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于它排开的液体受到的重力。由此可知,当丹的比重大于液体比重时,丹会下沉,当丹的比重小于液体比重时,丹则上浮。

  樟脑丸为什么能在水中自动沉浮呢?原来,实验中的“水”为醋酸溶液,樟脑丸的比重比醋酸溶液略微大一些,所以开始时樟脑丸沉入杯底。但由于醋酸与碳酸钠发生化学反应,产生的二氧化碳气体聚集在樟脑丸的表面,使樟脑丸和气泡这一整体的比重小于液体比重,樟脑丸浮了起来。当樟脑丸浮到液面时,附在樟脑丸表面上的二氧化碳气体逸出,剩下的气泡连同水对樟脑丸上向的浮力支持不住樟脑丸的重量,于是又沉入杯底。

  当今课堂上,有些物理或化学老师就做过这种实验:在半杯醋酸里加入碳酸钠数粒,然后把一粒樟脑丸放入杯里。樟脑丸起初沉入杯底,过一会儿就会慢慢浮上来,浮到液面后再沉下去,然后又浮起来,如此反复,十分有趣。


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