1.1中國古代物理學發展

中國是一個歷史悠久的文明古國，有著許多令人驚嘆、舉世聞名的科學成就。而其中的一些成就與物理密切相關。中國古代物理學，從時間分期來看，大體以春秋戰國（公元前8世紀～公元前3世紀）、兩漢（公元前2世紀～3世紀）、宋明（10～17世紀）為三個高峰；從研究方法上看，基于生產技術中的經驗及日常生活中的觀察而作的定性描述較多，相反，有目的地進行實驗或者結合數學上的推證和計算來思考則較少。

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1.1.1　 物質觀

在長期的生產實踐中，中國古人很早就對自然界的各種自然現象的形成、變化、天地萬物的本源問題進行了思考及探索，先后提出了各種不同的學說，比如我國古代（明清時期及以前）人民對物質本源的認識，有五行說、陰陽說、原子說和元氣說。其中五行說與陰陽說回答了世界是由什么物質（幾種元素）構成以及它們如何按陰陽消長而運動變化的問題。而原子說與元氣說則是對物質的最終構成是否連續的問題作了不同的解答。

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人物小史與趣事

呂不韋（公元前292—公元前235），商人、政治家、思想家，命門客編撰《呂氏春秋》，又名《呂覽》；分為八覽、六論、十二紀，共20余萬字，匯合了先秦各派學說。呂不韋以“兼儒墨，合名法”為中心思想，系統性地提出自己的政治主張，為先秦雜家代表人物之一。

▲ 一字千金

當時，魏國有信陵君，趙國有平原君，楚國有春申君，齊國有孟嘗君，被稱作戰國“四公子”。他們都禮賢下士，結交賓客，名揚四海。呂不韋認為秦國如此強大，而自己也是堂堂秦國丞相、秦王的仲父，不應該被他們比下去，因此他也招來了文人學士，給他們優厚的待遇，門客多達三千人。那時各諸侯國有許多才辯之士，著書立說，流行天下。呂不韋就命他的門客各自將所見所聞記下，綜合在一起成為八覽、六論、十二紀，共二十多萬字。他認為其中包括了天地萬物古往今來的事理，因此將其稱為《呂氏春秋》。他還將書的內容寫在布匹上，并把它掛在咸陽的城門，上面懸掛著一千金的賞金，遍請諸侯各國的游士賓客，如果有人能增刪一字，就給予一千金的獎勵。但最后也沒有一個人能夠做到。

王充（27—97），字仲任，會稽上虞人（今屬浙江）， 哲學家、思想家、文學批評家， 主要著作：《論衡》。

▲ 王充和《論衡》

東漢時期的王充在其著作《論衡》中充分表達了元氣自然論思想。他說：“天地，含氣之自然也。”（《論衡·談天篇》）“謂之自然無為者何？氣也。恬淡無欲、無為、無事者也。”（《論衡·自然篇》）“萬物之生，皆稟元氣。”（《論衡·言毒篇》）雖然老子、管子等人均早于王充提出了氣生萬物的概念，但是他們提出的“氣”并不是生成萬物的最初始源，與王充的“含氣之自然”有一定的區別。

在王充的元氣自然論中，元氣不僅具有物質性及能動性，而且還具有派生性、彌散性、相互轉化和守恒等特性，其中以元氣的相互轉化與守恒思想最為凸顯。他說：“天地不生故不死，陰陽不生故不死。”（《論衡·道虛篇》）“一天一地，并生萬物，俱得一氣。氣之薄渥，萬世若一。”（《論衡·齊世篇》）“陰陽之氣，天地之氣也……物變隨氣，不可謂無。”（《論衡·講瑞篇》）“人生于天地之間，其猶冰也，陰陽之氣，凝而為人，年終壽盡，死還為氣。”（《論衡·論死篇》）天地的不生不死，是元氣永恒不滅的原因；萬物生于氣，死亦復歸于氣，也就是氣-物-氣之間的相互轉化是絕對的，就連人也無法違背這一規律；“氣之薄渥，萬世若一”則說明了萬物在變化過程中，各個物種、每個物體所需元氣的厚薄、多寡均是固定不變的，即所需物質的多少是一恒量；“物變隨氣，不可謂無”則明確表示，物質的生成與變化過程均離不開氣，“無中生有”是不可能的。

王充還用他的元氣自然論思想對當時所觀察到的一些自然現象（如大氣變化現象、雷電現象、靜電現象、靜磁現象、熱傳遞現象等）產生的原因進行了解釋。

王充的元氣自然論思想對元氣說的發展產生了巨大影響。三國時的嵇康(224—263)明確提出：“元氣陶鑠，眾生稟焉。”晉代的楊泉在其《物理論》中也明確提出：“夫天，元氣也，皓然而已，無他物焉。”和王充的《論衡》類似，楊泉用元氣化生理念對一些自然現象進行了解釋。

▲ 熱傳遞和大氣現象

王充在《論衡·寒溫篇》中對熱的輻射和大氣現象提出了精辟的看法。他用氣來解釋“近水則寒，近火則溫”，認為是“氣之所加，近遠有差”，“遠之則微”。這是認為熱傳遞與距離有關，是“氣”在起著“溫”“熱”的物質媒介作用，而且有遠近之差，觀察比較細微。他還用自然規律來解釋氣象變化。

“云霧，雨之征也，夏則為露，冬則為霜，溫則為雨，寒則為雪，雨露凍凝者，皆由地發，不從天降也。”（《論衡·說日篇》）在《感虛篇》中他還駁斥“雨從天降”的看法：“夫云雨出于丘山，降散則為雨矣，人見其從上而墜，則謂之天雨水也，夏日則雨水，冬日天寒則雨凝而為雪，皆由云氣發于丘山，不從天上降集于地，明矣！”他還認為降霜與釋冰所需寒熱要有一個積累過程，即要有相當的量才行：“倚一尺之冰，置庖廚中，終夜不能寒也，何則？微小之感，不能動大巨也……寒不累時則霜不降，溫不兼日則冰不釋。”（《論衡·感應篇》）這是很精辟的見解。明代方以智(1611—1671)在《物理小識》中還進一步提到冰的融化不但要有一定量的熱，而且與隔熱條件有關：“冰在暑時以厚絮裹之，雖置日不化，惟見風始化。”

1.1.2　力學

中國明清以前的力學成就主要體現在對一些力學現象的認識及力學知識的應用上。力學在中國經歷了持續而緩慢的過程。從元謀人開始，到新石器時代，在各種原始的工藝技術中，比如陶器、箭鏃、建筑、紡織和交通工具的制作中，已孕育著力學的知識。有文字記載以前的力學知識反映在一些出土的文物古跡和古文化遺存中。從周代到明代有許多記述關于力學實踐和認識的著作，如春秋戰國之交成書的《考工記》，戰國時期以墨翟為首的墨家代表作《墨經》，漢代王充的《論衡》，宋代沈括的《夢溪筆談》、李誡的《營造法式》，明代宋應星的《天工開物》等。從歷史時期上看，中國古代力學有兩個發展高峰期：一個是戰國時期，在力學的應用方面可以與古希臘相媲美，而理論方面則稍遜色；另一個是宋代，取得了中世紀歐洲望塵莫及的成就。但是，總的說來，在中國古代并未出現一部專門的力學著作，力學知識散見于各種書籍之中。總的特點就是：經驗多于理論，器具制造多于數理總結。

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人物小史與趣事

劉焯（544—約610），字士元， 信都昌亭（今河北冀縣）人，隋代天文學家。著力研習《九章算術》《周髀》《七曜歷書》等；還著有《稽極》10卷、《歷書》10卷；提出新法，編有《皇極歷》，在歷法中首次考慮太陽視差運動的不均勻性，創立用三次差內插法來計算日月視差運動速度，推算出五星位置和日、月食的起運時刻。這是中國歷法史上的重大突破。

▲ 《皇極歷》

隋代著名的天文歷法家劉焯在他制定的《皇極歷》中，最先采用了等間距二次內插法來計算日、月五星的視運行度數。他所采用的計算公式，是在多次運用了瞬時速度和平均速度這兩個概念后才得到的。唐代僧人一行認為，太陽的周年視運動不是勻變速運動，所以在《大衍歷》中，他用不等間距二次內插法來推算日、月的視行度數。元代的王恂(1235—1281)等編制的《授時歷》中，用“招差法”來推算日、月、五星的視行位置，很好地解決了計算中的誤差修正問題。

張衡（78—139），字平子，我國東漢時期偉大的天文學家、數學家、發明家、地理學家、文學家，為我國天文學、機械技術、地震學的發展作出了不可磨滅的貢獻。

在數學、地理、繪畫和文學等方面，張衡也表現出了非凡的才能和廣博的學識。張衡是東漢中期渾天說的代表人物之一，并且認識到宇宙的無限性與行星運動的快慢和距離地球遠近的關系。張衡在132年發明了全國第一架地動儀。

▲ 博通經籍

張衡的家族世代為當地的名門望族。他的祖父張堪，自小志高力行，被人稱為“圣童”，曾把家傳余財數百萬讓給他的侄子。光武帝劉秀登基后張堪被任命為蜀郡太守，隨大司馬吳漢討伐割據益州的公孫述，立有大功。其后他又領兵抗擊匈奴有功，被拜為漁陽太守,曾以數千騎兵擊破匈奴來犯的一萬騎兵。此后在他的任期內匈奴再也沒有敢來侵擾。他又教人民耕種，開稻田八千頃，人民由此致富。所以，有民謠歌頌他說：“張君為政，樂不可支。”張堪為官清廉，伐蜀時他是首先攻入成都的，但他對公孫述留下的堆積如山的珍寶分毫未取。蜀郡號稱天府，但張堪在調離蜀郡太守任時乘的是一輛破車，攜帶的只有一卷布被囊。

張衡自小刻苦好學，少年時便會做文章。16歲以后他曾離開家鄉到外地游學。他先到了當時的學術文化中心三輔（今陜西省西安市一帶）地區。這一地區壯麗的山河和宏偉的秦漢古都遺址給他提供了豐富的文學創作素材。后來他又到了東漢都城洛陽。在那兒，他進過當時的最高學府太學，結識了后來著名的學者崔瑗，與他結為摯友。張衡興趣廣泛，自學《五經》，貫通了六藝的道理，而且還喜歡研究算術、天文、地理和機械制造等。但在青年時期，他的志趣大半還在詩歌、辭賦、散文上。盡管他才高于世，卻沒有驕傲之情，平時從容淡泊，不喜歡與俗人相交。

▲ 候風地動儀

候風地動儀是世界上第一架測驗地震的儀器，由中國東漢時期的科學家張衡于漢順帝陽嘉元年（132年）發明。《后漢書·張衡傳》詳細記載了張衡的這一發明。

地動儀利用其中“都柱”的慣性，在地震時使龍張口吐出銅丸落于蟾蜍口中。《后漢書·張衡傳》：“陽嘉元年，復造候風地動儀。以精銅鑄成，員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，傍行八道，施關發機。外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動，尊則振龍，機發吐丸，而蟾蜍銜之。振聲激揚，伺者因此覺知。雖一龍發機，而七首不動，尋其方向，乃知震之所在也。”書中記錄公元138年3月10日甘肅大地震的情況：“嘗一龍機發而地不覺動，京都學者咸怪其無征。后數日驛至，果地震隴西，于是皆服其妙，自此以后，乃令史官記地動所方起。”據當時記載：“驗之以事，合契若神。”這臺儀器不僅博得當時人的嘆服，就是在現在的科學家看來也無不贊嘆。

1.1.3　熱學

我國古代的熱學知識大部分是生活和生產經驗的總結，可以說是從火的利用和控制開始的。火的利用和控制，使人類第一次支配了自然力量，使人類文明大大前進了一步，同時，它也是古人對熱現象認識的開端。約在公元前2000年，我國已有氣溫反常的記載，在西周初期，人們開始掌握降溫術和高溫術。我國冶煉業的發展比較早，高溫技術也很早就被人們掌握。溫度計還沒有發明以前，古人在冶煉金屬的實踐中，就已經創造了通過觀察火候和火色來判別溫度高低的方法。所以中國古代熱學所取得的成就主要是對一些熱現象的認識及實際應用等。

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人物小史與趣事

▲ “溫度”的概念

“溫度”概念在我國只有“火候”的經驗指標，如《考工記》：“凡鑄金之狀，金與錫，黑濁之氣竭，黃白次之；黃白之氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之，然后可鑄也。”這里在黃白之前的暗紅色階段約為550℃，而白色階段約為1000℃。

由醫學知識可知，人的體溫基本相同。漢代及其之前的先民們已充分地認識到這一特點，并把人的體溫作為判別環境或其他物體溫度高低的標準。有學者認為，體溫是古代最恒定的“溫度計”，以體溫，特別是人體腋下溫度作為環境溫度或者其他物體溫度的判別標準，在溫度計發明之前無疑是熱學計量中最佳的方法。

▲ 最早的冰箱

在西周時期，人們已經知道，冬天將天然冰塊儲藏在地窖里，到春、夏天則可用來保存食物和避暑降溫。《詩經·豳風·七月》中寫道：“二之日鑿冰沖沖，三之日納于凌陰。四之日其蚤，獻羔祭韭。”這里的“二之日”指的是夏歷的二月。在此后的許多文獻中都有藏冰、用冰的記載，在戰國初期還有專門用于冷凍保鮮的特制容器——冰鑒。1978年，湖北省隨縣曾侯乙墓就出土了一件銅冰鑒。它是一件雙層容器，方鑒內套有一方壺。夏季，鑒、壺壁之間可以裝冰，壺內裝酒，冰可使酒涼；而冬天，亦可在鑒、壺壁之間裝上熱水，而使壺內酒溫。

劉安（公元前179—公元前122），西漢皇族，淮南王。作《離騷傳》，編寫《鴻烈》（亦稱《淮南子》），其內容以道家的自然天道觀為中心，認為宇宙萬物都是由“道”派生。他善用歷史傳說與神話故事說理，如《共工怒觸不周山》《女媧補天》《后羿射日》等。由于深得武帝尊重，經常獲得武帝的賜書。但是他所藏之書，《漢書》稱其“多浮辯之書，無實用者甚多”。后因謀反事發自殺。

萬戶，本名陶成道，字號東寧伯，明朝士大夫，元末出生于婺州（今浙江金華），明洪武二十三年（1390年）去世。

主要著作：《火器神技藝》。主要成就：第一個想到利用火箭飛天的人，被稱為“世界航天第一人”。

▲ 萬戶和他的“火箭”

萬戶熟讀詩書，但不去投考。因為他不愛官位，愛科學。他最感興趣的是中國古人發明的火藥及火箭，想通過這兩種具有巨大推力的東西把人送上藍天，去親眼觀察高空的景象。為此，他做了充分的準備。一天，他手拿兩個大風箏，坐在一輛捆綁著四十七支火箭的蛇形飛車上。然后，他命令他的仆人點燃第一排火箭。只見一位仆人手舉火把，來到萬戶的面前，心情十分沉痛地說道：“主人，我心里好怕。”萬戶問道：“怕什么？”那仆人說：“倘若飛天不成，主人的性命怕是難保。”萬戶仰天大笑，說道：“飛天，乃是我中華千年之夙愿。今天，我縱然粉身碎骨，血濺天疆，也要為后世闖出一條探天的道路來。你等不必害怕，快來點火！”仆人們只好服從他的命令，舉起了熊熊燃燒的火把。只聽“轟！”的一聲巨響，飛車周圍濃煙滾滾，烈焰翻騰。頃刻間，飛車已經離開地面，徐徐升向半空。而正當地面的人群發出歡呼的時候，第二排火箭自行點燃了。突然，橫空一聲爆響。只見藍天上萬戶乘坐的飛車變成了一團火，萬戶從燃燒著的飛車上摔下來，手中還緊緊握著兩支著了火的巨大風箏。雖然這是一次失敗的嘗試，但是萬戶被譽為利用火箭飛行的第一人。為了紀念萬戶，月球上的一座環形山以他的名字命名。

1.1.4　聲學

我國古代在聲學方面有著輝煌的成就。這些成就主要體現在當時人們對樂器的制作、對音律的研究、對共振現象的探索等幾個方面。1973年在浙江余姚河姆渡地區出土的骨哨和骨笛，至今仍能吹奏出和諧的旋律。據測定，這批文物為新石器時代的制品，距今已有7000多年，這表明我國人民在史前時期對聲學就有深刻的認識。到了3000多年前的商代，人們已經能系統地掌握樂器制造方法和相應的樂律規律等。我國古代對樂律的研究比西方早得多。另外，我國人民很早就注意建筑物內傳聲和聽音的效果，這是促使聲學發展的另一重要源泉。中國古代工匠在建筑聲學技術方面也有豐富的經驗，如北京天壇的回音壁等。

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人物小史與趣事

宋應星（1587—約1666），字長庚，明朝著名科學家。其著作《天工開物》是世界上第一部關于農業和手工業生產的綜合性著作，被稱為“中國17世紀的工藝百科全書”。宋應星的著作還有《野議》《論氣》《談天》《思憐詩》《畫音歸正》《卮言十種》等，但今已 佚失。

▲ 喜歡“旁門左道”

宋應星聰明好學，有過目不忘的本領，深得老師及長輩的喜愛。后來，他與哥哥一起考入當地縣學當學生，熟讀經史和諸子百家。他個性活潑，對枯燥乏味的八股文不感興趣，喜歡音樂、作詩，常和同窗好友游山玩水，吟詩作賦，縱論天下。

課外，他還喜歡研究被當時讀書人稱為“旁門左道”的各種物件的制作技術。有一次，他與幾個朋友到一個人家去做客。那人家里擺滿了許多大小、形狀、顏色以及圖案都不同的花瓶。宋應星立即對這些陶土制成的花瓶產生了興趣，不斷詢問這些花瓶的制作方法。但一些朋友卻搖頭對他說：“這些花瓶的制造方法不過是雕蟲小技罷了，不值得我們讀書人學習。”宋應星卻想：“我們對這些日常生活用品都不知道是怎么來的，這只能說明自己的無知，怎么能夠簡單地看作雕蟲小技呢？我一定要將它們搞懂。”于是，他開始留心做各種技藝資料的收集及記錄。

朱載堉（1536—1611），字伯勤，明太祖朱元璋九世孫，明仁宗的第六代孫，鄭藩王族嫡世，明朝著名律學家、歷學家、音樂家。中外學者尊崇他為“東方文藝復興式的圣人”。主要著作有《樂律全書》《律呂正論》《律呂質疑辨惑》《嘉量算經》《律呂精義》《律歷融通》《算學新說》《瑟譜》等。

▲ 十二平均律的準確算法

據《呂氏春秋》記載，我國的十二律始于黃帝時期。《呂氏春秋》《淮南子·天文訓》中都記載有用三分損益法推算十二律的計算方法。用三分損益法計算出來的十二音律被叫作“十二不平均律”，也就是它們相鄰之間的律差（即頻率差）是不相同的。

1584年，明代的朱載堉給出了十二平均律的準確計算方法，是世界上最早提出十二平均律準確計算方法的樂律學家。

▲“天潢中之異人”

明嘉靖二十九年，在鄭王王宮外面，一間小土屋“拔地而起”。而住在這間小土屋里面的竟是鄭王的世子朱載堉。鄭王朱厚烷是明朝時期歷史上一個比較正直廉潔的藩王，《明史》說他“自少至老，布衣蔬食”，但是他犯了圣怒，被嘉靖皇帝治罪并發往中都鳳陽軟禁。而朱載堉則認為，父王并沒有犯什么錯誤，既無大逆不道，也未貪贓枉法，只是沒有像其他藩王那樣投皇帝所好，而是上書規勸皇帝要修德講學，不要大興土木，更不要相信神仙。這些是一名臣子應該做的事情，皇上輕信讒言將父王治罪。身為皇室成員，朱載堉既痛恨又無法發泄，無奈之下他找到了這樣一個頗似現代“不抵抗主義”的法子，而且發誓，父王一天不歸，他一日不回宮。就這樣，他在那間小土屋里一住就是19年，直到隆慶初年，鄭王被赦他才返宮。

萬歷十九年，朱厚烷薨，朱載堉則上疏神宗，懇請將爵位讓給同族的兄弟，他的行為在朝野之中引起了巨大震動，人們將他稱為“天潢中之異人”。

沈括（1031—1095），字存中，北宋錢塘（今杭州）人，政治家、科學家， 在物理、數學、天文學、地學、生物學等方面都有重要的成就和貢獻。晚年于潤州（今江蘇鎮江）夢溪園撰《夢溪筆談》三十卷。又曾推薦衛樸編修《奉元歷》，主張革除舊歷法，以節氣定月，創“十二氣歷”。比歐洲早400年發現地磁偏角的存在。著醫書《良方》《靈苑方》。又最早提出“石油”的命名。有《長興集》傳世。

▲ 共振實驗

沈括曾精心設計了一個共振實驗。因為弦振動比較微弱，不易觀察，所以他剪了一些紙人，放在弦上來進行試驗。他寫道：“琴瑟弦皆有應聲：宮弦則應少宮，商弦則應少商，其余皆隔四相應。今曲中有聲者，須依此用之。欲知此應者，先調諸弦令聲和，乃剪紙人加弦上，鼓其應弦，則紙人躍，他弦即不動。”這一段文字中說的是琴瑟的弦均能引起共振（應聲），發宮音的弦（宮弦）和發少宮音（高八度的宮音）的弦能共振，發商音的弦與發少商音的弦能共振。其他每隔四根弦的兩根都能共振。把琴瑟的弦調節好后，將紙人放在某一根弦上，彈奏與其能發生共振的那根弦時，紙人就會頻頻跳躍，而彈奏其他弦時，紙人則安然不動。

沈括的一個朋友，家里有一把琵琶，放在空蕩的房間里，當用笛管吹奏雙調的時候，琵琶常常應聲。那人以為這琵琶是什么寶貝。沈括知道后，向他指出了這是共鳴現象。沈括所做的共振實驗在聲學史上算是最早的一個。相隔5個世紀之后，英國人諾布爾和皮戈特才想到用紙游碼演習弦線的基音和泛音的共振關系。

▲ 虹的科學道理

沈括在光學方面也有很高的造詣，他通俗地解釋了凹面鏡成像和小孔成像的道理，還對光的直線傳播和光的折射現象進行了研究，解釋了虹的科學道理。

沈括《夢溪筆談》：“若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗隙所束，則影與鳶遂相違，鳶東則影西，鳶西則影東。又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂。”又說：“本末相格，遂成搖櫓之勢，故舉手則影愈下，下手則影愈上，此其可見。”

▲ 發現磁偏角

指南針是我國的四大發明之一。沈括《夢溪筆談》對于指南針的使用做了多種實驗，包括把指南針放在水面上，放在手指甲上和碗邊上，都不夠滿意，后來他想到取單股蠶絲用蠟粘在指南針的針腰上，懸掛在避風處，針就平穩地指南了。這是世界上關于使用指南針的最早實驗記錄。更可欽佩的是，《夢溪筆談》上還有關于磁針的方向“常微偏東，不全南也”的記載。這說明沈括在實驗中已經發現了磁偏角。西方一般以為，哥倫布在1492年遠渡大西洋時首先觀測到磁偏角，而不知沈括在400多年前就做了這類實驗，并得出了實驗結果。據研究，11世紀，沈括經常居住在長江下游，那里的地磁偏角一般是3～4度，在800多年前發現這樣小的偏角在物理學上確是一大貢獻。

墨子(約公元前468—公元前376），名翟，戰國時期思想家、教育家、軍事家、科學家，墨家學派的創始人。墨子有著作傳世，較能代表墨子學說和思想的有《尚賢》《兼愛》《非攻》。墨家在戰國時期是一個重要的學派，與儒家并稱“顯學”。《墨子》由墨子和各代門徒逐漸增補而成，其內容廣博，包括了政治、軍事、哲學、倫理、邏輯、科技等方面，是研究墨子及其后學的重要史料。

▲ 染絲與做人

墨子在小的時候就接受了儒家的教育。老師教他六藝——禮、樂、射、御、書、數。而墨子對后四項十分感興趣，因為這幾項可以鍛煉人的動手能力。墨子的老師也很著重培養墨子這方面的能力，他經常帶墨子去參觀工匠們的作坊。有一次他帶墨子去了染布坊，讓墨子觀察布匹是如何染色的。墨子對工匠們的勞作十分感興趣，當他看得聚精會神時，他的老師說：“看到了吧，這些絲絹本來都是雪白雪白的，將它們放入黑色的染料中，就變成了黑的；將它們放入黃色的染料中，就變成了黃色的。”墨子道：“絲絹的顏色會跟著染料的顏色來變化，是這樣的嗎？”老師道：“是啊，做人的道理和染絲一模一樣，不同的是，絲是被人放進染料的，而如何做人則完全是自己作出的選擇。”

墨子明白了老師的意思，更加嚴格地要求自己。在他成為思想家收了門徒之后，他也經常用這個例子來教導自己的學生。

▲ 墨子和翁式地聽器

早在春秋戰國時期，共振效應就被用于軍事上。墨子和其弟子們發明了各式各樣的翁式地聽器，并且設置了多種識別聲源方位的方法，來偵探敵方挖掘地道的方位，防止敵人由地道攻入城內。據《墨子·備穴》中記載：“令陶者為罌， 容四十斗以上，固順之以薄革，置井中，使聰耳者伏罌而聽之，審知穴之所在，鑿穴迎之。”

張華（232—300），字茂先，范陽方城(今河北固安縣)人，晉政治家、文學家、藏書家。主要著作：《博物志》等。

▲ 消除共振

據記載：“又中朝時，有人蓄銅澡盤，晨夕恒鳴如人扣，以白張華。華曰：‘此盤與洛陽鐘宮商相諧，宮中朝暮撞，故聲相應。可錯令輕，則韻乖，鳴自止也。’依言，即不復鳴。”這里的“錯”就是“銼”。由此可知，張華不僅知道產生共振的原因，而且還知道只要把銅盆略微銼去一些，改變其固有頻率，共鳴的事就不會再發生了。

1.1.5　光學

中國古代（明清時期及以前）在光學方面的成就在當時處于世界領先的地位，其中對于光現象及光的利用等方面不僅有大量的文字記載，而且還留有眾多的實物。它起源于火的獲得和光源的利用，以光學器具的發明、制造及應用為前提條件。根據古籍記載，中國古代對光的認識大多集中在光的直線傳播、光的反射、大氣光學、成像理論等多個方面。

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人物小史與趣事

趙友欽（1279—1368），或名敬，字子恭，自號緣督，所以別人就稱他為緣督先生或緣督子，科學家。

主要成就：對光線直進、小孔成像與照明度最有研究并最早進行大規模實驗。

主要著作：《革象新書》《金丹正理》《盟天錄》《推步立成》等。

▲ 趙友欽和“小罅光景”

“小罅光景”中介紹了兩個關于小孔成像的光學實驗：

第一個是利用壁間小孔成像。他觀察到日、月光通過壁間小孔，小孔雖然不圓，但所得到的像卻都是呈圓形的。日食的時候所觀察到的像和日食圓缺的分數相同。小孔的大小雖然不同，但像的大小幾乎相等，只是濃淡不同（即照度不同）。如果把像屏移向小孔，則像變小，照度加大。他對此現象進行了深入思考，終于認識到：這是由于“罅小則不足容日月之體，是以隨日月之形而皆圓，及其缺則皆缺”。

他又注意到如果壁間的孔相當大，則情況大不相同，光斑的形狀必隨孔的形狀而呈方形或圓形。這是由于“罅大而可容日月之體也”的緣故。

第二個實驗則為一個在樓房中進行的、更為復雜的大型實驗。他以樓房為實驗室，分別在樓下兩個房間的地面上挖兩口直徑為四尺多的旱井，右井深四尺，左井深八尺，根據實驗需要，在左井中可另放一張四尺高的桌子。另做兩塊直徑為四尺的圓板，每塊板上密插著一千多支點燃的蠟燭，放入右井底和左井的桌上作為可以人工控制的兩個光源。在兩個井口分別用中心開孔的板加以遮蓋，以樓板為固定像屏。這個實驗步驟繁多而又有條不紊，效果明顯，說服力強，如此精彩的光學實驗，在當時世界上也是絕無僅有的。

郭守敬(1231—1316)，字若思，又名郭太史，天文學家、數學家、水利專家。

主要成就：制定《授時歷》，西夏治水，大都治水，制造天文測量儀器。主要著作：《授時歷》《推步》《立成》等。

▲ 掌握蓮花漏的制造方法和原理

郭守敬在十五六歲的時候就顯露出了科學才能。那時他得到了一幅“蓮花漏圖”。他對圖樣作了精細的研究，摸清了制作方法。

蓮花漏是一種計時器，是北宋科學家燕肅在古代漏壺的基礎上改進創制的。這器具由好幾個部分配制而成，上面有幾個漏水的水壺。這幾個水壺的水面高度保持不變。水面高度不變，往下漏水的速度也就保持均勻。水流速度保持均勻了，那在一定時間內漏下的水量就一定不變，不會忽多忽少。這樣，就可以通過漏下的水量指示出時間來了。燕肅留下的蓮花漏圖，就畫著這樣的一整套器具。

配制這套器具的原理比較復雜，燕肅所畫的圖構造也很不簡單。僅僅依據一幅圖就想掌握蓮花漏的制造方法和原理，對一般成年學者來說也不是一件容易的事情。年紀才十幾歲的郭守敬居然把它弄得一清二楚，這就足以證明郭守敬確是一個能夠刻苦鉆研的少年。

▲ 修復石橋

在邢臺縣的北郊，有一座石橋。金元戰爭的時候，這座橋被破壞了，橋身陷于泥淖里。日子一久，竟沒有人說得清它的所在了。這給來往的人帶來了很大的不便，而且嚴重影響了當時的農業發展。郭守敬勘查了河道上下游的地形，對舊橋基有了一個估計。按照他的指點，居然一下子就挖出了被埋沒的橋基。石橋修復之后，當時一位有名的文學家元好問還特意為此寫過一篇碑文。那時候，年輕的郭守敬已經能對地理現象作頗為細致的觀察了。那一年，他剛剛20歲。

▲ 西夏治水

中統三年（1262年），因時任左丞的張文謙的推薦，郭守敬在開平府受到元世祖忽必烈召見，他面陳關于水利的建議六條，每奏一事，忽必烈都點頭稱是，對他頗為贊賞。他隨即被忽必烈任命為提舉諸路河渠，掌管各地河渠的整修和管理工作。

中統四年（1263年），朝廷加授郭守敬銀符，升其為副河渠使。

至元元年（1264年），郭守敬與唆脫顏前往西夏（今甘肅東部、寧夏、內蒙古西部一帶）地區視察河渠水道。數月后，張文謙又作為朝廷的代表治理西夏。郭守敬在張文謙的領導和支持下，奉命修浚西夏境內的唐來、漢延等古渠，更立閘堰，使當地的農田得到灌溉，受到西夏百姓的愛戴。當地百姓曾在渠頭上為他建立生祠。

至元二年（1265年），郭守敬升任都水少監。

至元十二年（1275年），丞相伯顏南征，打算建立水運站，命郭守敬視察河北、山東一帶可通舟行船的地方，并繪圖奏報。

1.1.6　電磁學

中國古人對電和磁的知識的積累及其技術成就，在世界物理學史中占有極為重要的地位。古代電學成就主要體現在對雷電現象和摩擦起電的發現、描述、研究，而古代中國人在雷電、靜電、靜磁學方面的知識以及在羅盤的制造方面遠遠地走在歐洲人前面。中國古代的磁學成就主要體現在對于磁石引鐵性能的研究及指南針的發明和應用，除了用傳統方式解釋磁體極性、磁偏角之外，在其他方面的科學發現和技術成就也是令人驚嘆的。對尖端放電現象的觀察及研究，使古人發明了避雷器，用于高大建筑的頂端，防止雷擊。尤其是磁的研究及應用對中國古代的生產、軍事以及航海測量等技術的發展起到了重要作用。

導圖

人物小史與趣事

曾公亮（999—1078），字明仲，號樂正，北宋著名政治家、軍事家、思想家。

主要成就：引鑒湖水入曹娥江，解除民邊水患；參與編撰《武經總要》；繪像昭勛閣。

主要著作：《武經總要》《元日唱和詩》等。

▲ 曾公亮和指南魚

曾公亮在《武經總要》（1044年）中介紹了指南魚的制作方法：以薄鐵葉成魚形，燒紅后順地南北向在水盤中冷卻，尾部并稍為下沉幾分長（磁傾角），以密器收之（保存磁性的磁屏障），用時置水碗于無風處，魚首常向南。

陳元靚，生于南宋末年，卒于元代初期，著有《事林廣記》《歲時廣記》《博聞錄》等書。

▲ 陳元靚和指南龜

陳元靚《事林廣記·神仙幻術》中講到用“木刻龜子”一個，內放磁針一枚，用竹釘安于龜腹內穴上，即成指南龜。