中國古代趣味物理實驗補遺國中物理知識
1 迎風轉秫
《帝京景物略》雲:“剖秫秸二寸,錯互貼方紙,其兩端各紅綠,中孔,以細竹橫安秫竿上,迎風張而疾趨,則轉如輪,紅綠渾渾如暈。”
這是一個利用風能去推動秫秸轉動的實驗,實驗演示了顏色合成。儀器製作與實驗過程大體如此:將去掉穗的高粱杆截成若干段,每段長二寸,剖開。分別把紅紙、綠紙剪成方形,並把它們交叉地貼在高粱杆的兩端。把高粱杆也交叉放在一起,在交叉的高粱杆的中部鑽孔,用細竹一端穿過小孔作爲轉軸,手持細竹另一端逆風行走,紙片張開,高粱杆快速轉動,狀如飛輪。此時,紅綠兩種顏色就像日暈那樣渾然一體,形成十分美麗的色環。
本實驗中的“儀器”,人們稱它爲“風車”,是一種兒童玩具。這種“儀器”,在中國古代統治者心目中,肯定不能登大雅之堂。因此,從事科學研究的人們,總是想方設法把自己的發現以玩器的形式保存下來,以啓迪思維,激發智力。
2 著翼起飛
《漢書·王莽傳》雲:“取大鳥翮爲兩翼,頭與身皆著毛,通引環鈕,飛數百步墮。”這是一個滑翔飛行實驗:用大鳥羽拼合成兩隻大翅膀,用牽引線把它們固定在人身兩側,人從頭到腳裝上羽毛,然後拉着牽引線迅速奔跑,就會象鳥兒一樣飛向空中,飛行數百步掉下。我們清楚,鳥在飛行時,翅膀的上面往往向上凸起,下面平直或略微凹進。如果直接將大鳥翅膀作飛翼,或將若干鳥的羽莖拼織成鳥翼形狀,那麼人拉着“翅膀”迅跑時,空氣就相對“翅膀”向後移動。因“翅膀”上凸下平,流過“翅膀”上面的空氣,需要繞一個彎,其流速要比“翅膀”下面空氣的流速快。這樣,“翅膀”上面空氣流速快,壓強小,“翅膀”下面空氣流速慢,壓強大,使“翅膀”上下產生壓強差。這個壓強差,會產生一股把“翅膀”向上托起的升力,這個升力可把物體託向空中。
這個實驗,是人類第一次進行滑翔飛行的.實驗。它驚險,有趣,儘管可能不會成功,但試驗者需承擔較大風險。由此可見,我們的祖先何等聰明和勇敢。
3 水中浮丹
宋代洪邁在《夷堅志》中介紹:“宣和中,蔡魯公閉居京師,有方士持陰陽丹一兩許,如彈子大,色正紅,以獻之。置之水中,隨十二時上下,六陽時則浮上,六陰時則沉。仍各準其方位,不差晷刻。”
陰陽丹的組成成份是什麼,洪邁沒有說明。但在宋代,“水中浮丹”的研究是比較深入的,哪些材料制丹能在水中自由遊走,哪些材料制丹可在水中自動沉浮,實驗一絲不苟。蘇軾就曾提到:“獐腦黃蠟和勻染黑,投水中作蝌蚪,自然水中走動。”《格物粗談》中的“浮水金丹”是用樟腦、銀珠搗成的。此外,《北夢瑣言》還記載了一個盆中游魚的實驗:“戍州刺史文思輅亦有戲術,曾剪紙魚投於盆內活。”從洪邁的記錄看,陰陽丹在水中的運動很像潛水艇的沉浮。這使人想起阿基米德原理:浸入液體裏的物體受到向上的浮力,浮力的大小等於它排開的液體受到的重力。由此可知,當丹的比重大於液體比重時,丹會下沉,當丹的比重小於液體比重時,丹則上浮。
樟腦丸爲什麼能在水中自動沉浮呢?原來,實驗中的“水”爲醋酸溶液,樟腦丸的比重比醋酸溶液略微大一些,所以開始時樟腦丸沉入杯底。但由於醋酸與碳酸鈉發生化學反應,產生的二氧化碳氣體聚集在樟腦丸的表面,使樟腦丸和氣泡這一整體的比重小於液體比重,樟腦丸浮了起來。當樟腦丸浮到液麪時,附在樟腦丸表面上的二氧化碳氣體逸出,剩下的氣泡連同水對樟腦丸上向的浮力支持不住樟腦丸的重量,於是又沉入杯底。
當今課堂上,有些物理或化學老師就做過這種實驗:在半杯醋酸里加入碳酸鈉數粒,然後把一粒樟腦丸放入杯裏。樟腦丸起初沉入杯底,過一會兒就會慢慢浮上來,浮到液麪後再沉下去,然後又浮起來,如此反覆,十分有趣。
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