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主题：【转帖】“趣味物理”系列

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wangjun6888

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发表于：2009/03/03 15:22:59 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

该帖子已被zouhua1210设置为精华；

在网上闲逛，看了些趣味物理知识，拿来与大家分享

1　前　言

中华民族是一个酷爱实践的民族。在中国古代，人们十分重视用实验去研究物理现象与规律。一些实验构思奇特，设计巧妙，在漫长的岁月中经受了历史的考验，至今仍然光彩艳丽。不过，物理学在古代不是一门独立的学科，其资料散布极其广泛，收集起来并不容易。本文从“趣味性”角度出发，从各种典籍中选出一些物理实验予以介绍，目的在于了解当今趣味物理实验发展变化的历史背景。

该帖子作者被版主 lylsg555加 8积分， 2经验，加分理由：感谢分享有趣的资料

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wangjun6888

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2009/3/3 15:23:34 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

2　“虚管悬液”实验

唐代王冰注解《黄帝内经素问》时指出：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也。”[1]

意思是：用手指捏住空管的一端，将管中灌满水后倒过来，水不会从管中流出。因为外面的空气不能进入管中，所以管里的水不会流出来。

这就是“虚管悬液”实验，它证明了大气压强的存在。当管中充满水后，空气不能进入管中。将管倒过来，管内压强为水压，其值通常小于管外的大气压强，故水“悬”在管中。这个实验是从“瓶子倒水”实验演绎过来的。

早在南北朝成书的《关尹子》一书就已指出：“瓶有二窍，水实之则倒泻，开一则水不下，盖不升则水不降。”[2]

意思是：在密封的瓶上开两个小孔，瓶中灌满水，水就会从瓶中倒出。若只在瓶中开一个小孔，水是倒不出来的。因为此时空气不能在瓶中对流。

很显然，上下两端开口的瓶子，下口上面压强为一个大气压加水压，下面压强是一个大气压，这种情况下水会从下口流光。但将瓶的上口封住时，水向下滴落一点点后，瓶内气体体积增大，压强减小，当瓶内气压减小量与瓶中水柱产生的压强相等时(有时只要水的下表面向外凸出一点点就行)，水就不会流出来了。

该实验，常有教师在讲到大气压作功时，用“试管履行”来演示。

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2009/3/3 15:24:04 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

3　“瓶子喝水”实验

宋代俞琰(1258～1314)所写的《席上腐谈》一书：“剧烧片纸纳空瓶，急覆于银盆水中，水皆涌入瓶，而银瓶铿然有声，盖火气使之然也。又依法放入壮夫腹上，挈之不坠。”[3]

这段话的意思是：将剧烈燃烧着的纸片放入空瓶里，迅速把瓶倒扣在装有水的银盆中，水就会涌进瓶里，并且铿然有声。因为纸片的燃烧使瓶中空气减少，待瓶内空气冷却后压强降低的缘故。按这种办法把瓶扣在人腹上，瓶子会吸住腹肌而不坠落。

很明显，纸在瓶中燃烧，瓶内空气膨胀，空气从瓶中“跑”掉一部分。把瓶扣在水中，氧气燃尽，火焰也就熄灭，此时瓶内温度降低，压强减小，瓶外空气压迫盆里的水涌入瓶中。记载中尽管没有说明这是大气压作用的缘故，但能指出“盖火气使之然”，这在当时已是了不起的事情。

古代记载大气作功的实验有许多，还在先秦时期，我国就用“角法”(今“拨罐疗法”)治病了，可见“瓶子喝水”实验并不“年青”。当今人们选择泡菜坛子，先在坛外沟槽中倒水，然后把燃烧的纸片丢进坛中，盖上坛盖，看沟槽中水是否被吸入盖内或坛腹，以此判别坛子是否漏气。其检测原理就是“瓶子喝水”的实验原理。

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2009/3/3 15:24:37 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

4　“纸人共振”实验

北宋科学家沈括(1031～1095)在《梦溪笔谈》中指出：“欲知其应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。”[4]

沈括的意思是：要想知道某一根弦的应弦，可以先把各条弦的音(依五音声阶)调准，然后剪纸人放在这根弦上。这样一弹它的应弦，纸人就会跳动，弹其他弦，纸人则不动。

这就是著名的“纸人共振”实验。所谓共振，是指一个物体振动的时候，另一个物体也随着振动的现象。发生共振的两个物体，它们的固有频率一定相同或成简单的整数比。如弹动“哆”弦，别的“哆”弦也动，弹动“咪”弦，别的“咪”弦也动。

其实，早在沈括以前，就已经有人做过“瑟弦相应”实验，战国时庄子(前365～前286)在他的著作中就提到一个叫鲁遽的人：“为之调瑟，废(置)于一堂，废于一室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。”[5]只不过“纸人共振”实验更为直观和有趣罢了。

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2009/3/3 15:25:08 地毯管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

5　“铜瓮雷鸣”实验

西汉刘安(前179～前122)在《淮南万毕术》中云：“铜瓮雷鸣。”其注曰：“取沸汤置瓮中，坚塞之，内于井中，则作雷鸣，闻数十里。”[6]

意思是：把开水倒进铜瓮里(但勿倒满)，将铜瓮密封后丢入井中，声似雷鸣，数十里也能听到。铜瓮怎能“雷鸣”？原因可能有两种：第一，铜瓮在下沉过程中，瓮内水面之上蒸气遇冷降温凝结，压强减低，水的沸点随之降低，水再次沸腾作响；第二，若瓮壁极薄，当瓮内压强降低时，受大气压加水压的作用，铜瓮向内破裂，造成爆炸，声似雷鸣。

上述两种现象，都是通过空气冷凝的方法达到做功的目的。现中学用铁皮盒替代铜瓮演示上述第二种现象，实验时因条件限制不在水中而在空气中进行。若演示上述第一种现象，则是将烧瓶内水烧开后稍冷却，再在瓶外浇冷水降温减压来实现。

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2009/3/3 15:26:08 地板管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

6　“循烟燃烛”实验

姜岌在《续古文苑》一书中介绍了一个有趣的实验：“今燃一烛在上，一烛在下，灭下烛使烟相当，则上烛之炎，循烟而下，燃下烛矣。此类相从也。”[7]

意思是：现在让我们点燃两支蜡烛，一支放在上面，一支放在下面，将下烛的火焰吹灭，使它产生的烟雾(即蜡烛燃烧时产生的蜡蒸气)正好对着上烛的火焰。此时，上烛的火焰会沿下烛烟雾传递过来把下烛点燃。这是因为固态的蜡烛和气态的蜡蒸气都属于同一种物质。

在中学物理实验活动课中，常演示“空中飞火”、“火外生枝”两个实验，它们是从“循烟燃烛”中派生出来的。

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2009/3/3 15:26:43 6楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

7　“首泽浮针”实验

《淮南万毕术》云：“首泽浮针。”其注云：“取头中垢，以涂塞其孔，置水即浮。”[6]张岱(1597～1667以后)在《夜航船》中指出：“取头垢涂针，及塞针孔，水上自浮。”[8]

上述两种解释，前一种仅指出用头垢涂塞针孔，后一种则还指出应将头垢涂针。其实，将头垢涂针才是最重要的。

通常，将密度大于水的物体放在水中，它会沉入水底，因为此时物体所受重力大于水对它的浮力。但由于液体具有表面张力，如果把像绣花针那样小的物体小心地投放水面，针也能由于水的浮力以及表面张力的作用而不沉下。取头垢涂针，把针平放在水面上，因针表面有油脂(头垢)，针与水之间的接触角增大，实验更容易成功。

“首泽浮针”，这是一个非常有趣的实验。明代刘侗、于奕正在《帝京景物略》中记载：“七月七日之午，丢巧针，妇女曝盎水日中，顷之，水膜生面，绣针投之则浮。”

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2009/3/3 15:27:21 7楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

8　“水中游蝌”实验

宋代苏轼(1037～1101)在《物类相感志》中写到：“獐脑黄蜡和匀染黑，投水中作蝌蚪，自然水中走动。但欲洁净，用了油手指则住。”[9]

这个实验中的“獐脑”应为“樟脑”(萘)。苏轼曾在《格物粗谈》介绍过“浮水金丹”实验：“樟脑、银珠捣为饼，入水，即游走。”[10]这个实验与“水中游蝌”相似。

“盆中行船”实验，与水中游蝌也有相似处，对了解“水中游蝌”实验原理会有帮助。用保安刀片将泡沫塑料或木片削制一个约3cm长的小船，在船尾切一个“V”形切口，在“V”形切口中嵌入一片小肥皂，将小船放入倒满水的盆中，小船会自动向前航行。

这是一个利用水表面张力做功的实验，肥皂在船尾慢慢溶化，使小船后面水的表面张力系数慢慢减小，所以船头水的拉力大于船尾水的拉力，船缓缓向前移动。

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2009/3/3 15:28:11 8楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

9　“鸡子举飞”实验

《淮南万毕术》云：“艾火令鸡子飞。”这是一个很有趣的实验，但因记载简单，很难确定其实验原理与方法。《太平御览·方术部》引注云：“取鸡子去其汁，然艾火，纳空卵中，疾风因举之飞。”[6]宋朝苏轼在《物类相感志》中云：“鸡子开小窍，去黄白了，入露水，又以油纸糊了，日中晒之，可以自升起，离地三四尺。”[9]

按《太平御览》引注，这个实验利用了热空气的密度小于冷空气的密度，热空气在冷空气中能够上升的原理，但实验不能成功，这倒不是该实验原理不对，而在于蛋壳体积太小，艾在燃烧时壳内排出的空气重力无法令鸡子“举”。因为物体在空气中受到的浮力，等于它排开的同体积空气的重力。但如果鸡子有足够的体积，这个实验就会成功。我国五代时发明的“孔明灯”(热气球)就是一个很大的“蛋壳”。

苏轼介绍的实验方法，应用的是反冲作用原理。鸡子“飞”起离地三四尺，应该是可信的。原因是他将蛋壳开口用纸封闭，只有当壳内气体膨胀，作用在壳内壁的压力相当大时，油纸才被挤破。此时，气流从开口喷出，气流的反作用力推动蛋壳起飞。这个实验的条件控制得非常好：第一，蛋壳开口只有当壳内压力相当大时才打开；第二，温度控制巧妙，蛋壳在密封前，“入露水”，温度很低，密封后，则“日中晒之”，温度显著升高。

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2009/3/3 15:28:45 9楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

10　“鱼洗喷水”实验

《清稗类钞》载：“古州城外河街，有陈顺昌者，以钱二千向苗人购一古铜锅，重十余斤。贮冷水于中，摩其两耳，即发声如风琴，如芦笙，如吹牛角。其声嘹亮，可闻里余。锅中冷水即起细沫如沸水，溅跳甚高。水面四周围成八角形，中心不动。”[11]

上述“铜锅”叫“喷水鱼洗”或“鱼洗”。这种古代玩器始于汉代，大多类似洗脸盆，盆底刻鱼，盆沿有两耳，摩其两耳，盆内便能喷射出美丽的水柱。其喷水原理实际上是振动产生的四节线振波引起了水的激荡，振动过程类似于圆钟的空气振动。

试图使鱼洗喷水，应使手掌和鱼洗两耳(弦)摩擦，作为洗发生振动的激励源。手掌所处的位置可视为振动波节的位置，这样，由于洗的对称性，其振动只能产生偶数节线，而振动的拍击波使洗内的水发生相应的谐和振动，于是在洗的振动波腹处，水的振动最为强烈，而在洗的波节处，水不发生振动。

关于鱼洗的最早文字记录，见于宋代何远(1077～1145)所写的《春渚纪闻》以及王明清(约1127～？)所写的《挥尘前录》。近年东南大学还复制了不少鱼洗，这些鱼洗被国内外学者所珍藏。现在，鱼洗已成为一些大学课堂上的演示实验仪器。

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