中國古代的物理知識
正文
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━春秋戰國以前（公元前770以前）
春秋戰國（公元前770～前221）
秦漢到五代（公元前221～公元960）
力學方面
光學方面
聲學方面
電和磁方面
熱學方面
宋、元（960～1368）
力學方面
光學方面
聲學方面
電和磁方面
熱學方面
明到清中期（1368～1840）
力學方面
光學方面
聲學方面
律學方面
電和磁方面
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春秋戰國以前（公元前770以前） 中國至遲在西周時，就以壺漏測時，以圭表測影，以定方向、定節氣和定時刻。《詩經》所記載的管、弦以及打擊樂器有29種之多。這時已出現了十二律和七聲音階。能製作比較複雜的車船,以及桔槔等一類簡單機械。有一種欹器,“虛則欹，中則正，滿則覆”（《荀子·峟坐》）或許是加水後重心發生變化造成的，也可能是仰韶文化時期尖底陶罐的發展。並已發明了聚集日光而點火的陽燧（凹面鏡）,以烽火作為軍事通信的信號。人們知道收藏冰,利用冰來冷藏。
人們對宇宙萬物的本原作了最初的探索。提出了"五行說",認為宇宙萬物是由金、木、水、火、土五種基本元素構成的；提出了“陰陽說”，以陰與陽的矛盾運動解釋種種自然現象；還有“八卦說”，以線段“--”和“—”表示陰和陽，每3個一組組成8種基本符號, 各代表一定屬性的事物（如“剄”代表水），即八卦；又以它們的排列組合形成64卦，384爻,以此解釋自然現象的千變萬化。
春秋戰國(公元前770～前221) 《墨經》和《考工記》，是這一時期代表性的科學技術重要著作。
墨翟（約公元前468～前378）和他的弟子們是這個時期研究物理知識成就最大的學派，他們的代表作《墨經》記述了許多物理知識。尤其在光學方面，連續記述了影的生成的道理；光線與影的關係；光直線行進實驗；光反射特性；從物體與光源的相對位置關係而確定影的大小；平面鏡的反射現象；凹面鏡的反射現象；凸面鏡的反射現象。這是世界古代科學史上一篇難得的幾何光學著作。（見《墨經》中的物理知識）
《考工記》傳為春秋戰國之交齊國人的著作。它是中國古代一部手工技術規範的匯集。在記述各種手工技術的同時還闡明了一些科學道理，其中包括力學、聲學和熱學的知識：在力學方面，有車輪、箭桿的均勻對稱檢驗法，有關於皮革受力和變形情況的描寫；最早記述了慣性現象；從實踐經驗中記述斜面受力情況；分析了箭的各部分結構與飛行的關係；記述了冶鑄時判別火候的知識。在聲學方面，指出磬（石板樂器）發音高低與板厚的關係，特別是詳細敘述了鐘的製造及其音響情形。首先敘述了制鐘的合金比例：“六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊。”然後在《鳧氏》篇中按順序以六段文字敘述鐘的製作技術，包括鐘體各部分的尺寸比例；鐘壁厚薄、鐘口形狀與發聲的關係；為調音而磨銼鐘壁的方法。全篇254個字,層次分明,邏輯嚴謹。這是世界上最早論述制鐘技術的文章。（見《考工記》中的物理知識）
《管子·地員篇》中記載了中國定律調音的三分損益法（見中國古代律學）。《莊子·雜篇·徐無鬼》中最早記載了弦線的共振現象：“為之調瑟，廢（即置之意）一於堂，廢一於室，鼓宮宮動，鼓角角動，音律同矣。夫或改調一弦，於五音無當也，鼓之，二十五弦皆動。”
在此時期關於物質結構的思想有：《管子·水地篇》中說，水是萬物（無機界）和諸生（有機界）的統一本原；名家惠施則認為“至大無外，謂之大一；至小無內，謂之小一”(《莊子·天下篇》)。名家公孫龍提出“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”（同上書）的論斷，表明他認為物質是無限可分的。公元前4世紀的宋鈃和尹文提出宇宙萬物統一於“氣”的學說。在中國以後的歷史時期里，原子論的思想並未展開，元氣說卻有了長足的發展。
秦漢到五代（公元前221～公元960） 從秦漢到五代的約1200年間，各種物理知識都有所發展，特別在這時期成書的《尚書緯·考靈曜》、《淮南子》和《淮南萬畢術》、《論衡》、《博物志》等書中，有不少有關的記述。
力學方面 簡單機械的聯合使用有了大發展。張衡製造了水運渾天儀，他採用齒輪系把渾象和表示時間的壺漏結合在一起，以流水下落的力量帶動齒輪，齒輪帶動渾象鏇轉。公元132年,他還製造了世界上第一個地動儀(見彩圖)，用以測定地震的震源方向。公元2世紀畢嵐發明了“渴烏”，即虹吸管,逐漸廣為套用；後來唐代杜佑《通典》卷一百五十七中有“渴烏隔山取水”條：“以大竹筩雌雄相接，勿令泄漏，以麻漆封裹,推過山外,就水置筩，入水五尺，即於筩尾取松樺乾草,當筩放火,火氣潛通水所，即應而上。”張衡、三國時馬鈞和南朝宋祖沖之都曾製造過指南車，這是一種指示方向的機械裝置。漢代長安巧工丁緩造被中香爐（銀薰球,(見彩圖)）, “為機環轉四周，而爐體常平”（劉歆《西京雜記》），這或許是世界上最早的常平支架。西漢時有一種天平驗濕器的發明（見淮南王書中的物理知識）。
中國古代的物理知識
中國古代的物理知識在王充的著作中，對物重和運動的關係作了粗略的描述：“是故車行於陸,船行於溝,其滿而重者行遲，空而輕者行疾。”“任重，其進取疾速，難矣。”（《論衡·狀留篇》）這段話指出，在一定的外力條件下，重量越大的物體改變開始運動狀態越難。他的著作中還有許多關於力和運動的描述。
在這時期，對流體的一般性質有所記述、探討並實測了一些物體的比重，知道刻漏的流水速度會隨溫度變化。由於虹吸管在生產上的套用，又引起人們去探討它的道理。《關尹子》寫道：“瓶存二竅，以水實之，倒瀉；閉一則水不下，蓋（氣）不升則（水）不降。井雖千仞，汲之水上，蓋（氣）不降則（水）不升。”唐代王冰在《內經素問注》中寫道：“虛管溉滿，捻上懸之，水固不泄，為無升氣而（水）不能降也；空瓶小口，頓溉不入，為氣不出而（水）不能入也。”
唐代僧一行（名張遂）和南宮說等人在開元十二年(724)分赴11個地方測量北極高度和圭表日影長度。南宮說在河南的滑縣、開封、扶溝、上蔡測量了它們之間的距離。在計算影差和南北地距關係時，他們曾以北極高度（即地理緯度）差與地面距離作比較計算，結果發現南北地距351.27唐里（約129.22千米），北極高度相差一度。這是中國第一次子午線的實際測量。
在這一時期的大量的本草著作中，有許多關於結晶體幾何形狀的描述。公元前2世紀,韓嬰所著《韓詩外傳》中，已有關於六角形雪花的觀察記載，在《尚書緯·考靈曜》中，有運動相對性原理的敘述（見《尚書緯·考靈曜》中關於相對性原理的概念）。晉代葛洪在《抱朴子》中記述相對運動的現象：“游雲西行，而謂月之東馳。”《關尹子》中還論述了關於舟和水是誰在運動的古老爭論。晉代束皙認為，“乘船以涉水，水去而船不徙矣”（《隋書·天文志》）。
光學方面 製作出青銅鏡，凹面鏡陽燧被普遍用於取火。《淮南子》中初步探討了陽燧焦點問題。在漢代，人們已知道平面鏡的組合。晉代郭象在《〈莊子〉注》中說：“鑒以鑒影，而鑒亦有影，兩鑒相鑒，則重影無窮”。《淮南萬畢術》中有潛望裝置的記載（見淮南王書中的物理知識）。
漢代開始，中國就有“透光鏡”。當一束光線射到這種金屬鏡的鏡面時，經過反射，鏡背面的花紋能清楚地映現在屏上，於是古代人就稱它為“透光鏡”。不能穿過不透明物質的光線,似乎能“透過”金屬銅,把鏡背面花紋反映出來，這種奧妙引起了歷代人的注意。現代日本和西歐各國分別稱它為“魔鏡”、“不等曲率鏡”。
對虹、色散現象的記述和實驗是這時期光學上的又一成就。漢代蔡邕在《月令·章句》中描述虹的形成條件：“虹見有青赤之色，常依陰雲，而晝見於日衝，無雲不見，太陰也不見，見輙與日相互，率以日西，見於東方。”唐初孔穎達在《〈禮記〉註疏》中寫道：“若雲薄漏日，日照雨滴則虹生。”8世紀中期,唐代張志和在《玄真子》一書中寫道：“背日噴乎水成虹霓之狀”，這是人造虹的簡單實驗。晉代葛洪在《抱朴子》中描寫了五種雲母，向日舉之，可以看見各種色光。他以各種顏色的多寡把雲母分類。
張衡對月光及月食現象作了正確的解釋,在《靈憲》中說：“月光生於日之所照，魄生於日之所蔽。當日則光盈，就日則光盡。當日之沖，光常不合者，蔽於地也，是謂暗虛。”
《列子·湯問篇》記載了“小兒辯日”的有趣故事。兩個兒童爭論太陽究竟在早晨還是在中午距地面近。對於這個複雜的光學問題，晉代束皙認為“此終以人目之惑，無遠近也”（《隋書·天文志》），即與人的視幻覺有關。
聲學方面 樂器有所發展。唐大中(847～860)初，調音律官郭道源在若干碗內盛不同數量的水，加減水量而改變其音調，用這樣一組碗碟式樂器奏出優美的音樂。有大量典籍記載了各種樂器有共振現象。晉代張華、唐代樂律家曹紹夔還掌握了消除銅鐘共振的方法。
音律學也有發展，荀勖對管口校正數的計算和何承天創製屬於平均律體系的新律，是此時期的重要聲學成就。
電和磁方面 王充對古老的“司南”這種利用磁性指南的器物，明確記載了其形狀、用法和指向（見指南針）。人們不僅知道磁石吸鐵現象，還發現了磁的排斥現象，《淮南·萬畢術》中有“磁石拒棊”的記載。人們對磁石在防盜、防刺、作戰和醫療上的套用也有一些幻想式記述。
人們在漢初發現了琥珀和玳瑁摩擦後出現靜電吸引現象，三國時還有“虎魄不取腐芥”（《三國志》卷五十七注）的記載。張華的《博物志》中載有“今人梳頭，脫著衣時，有隨梳、解結有光者，亦有咤聲”；敘述了起電現象，既看到靜電閃光，又聽到放電聲。陶弘景發現，當用布和琥珀摩擦代替手摩擦的方法時，琥珀的靜電吸引力明顯增大。唐代段成式發現用手和活貓摩擦時的靜電火花。
熱學方面 早在戰國時期，人們已知“冰，水為之而寒於水”（《荀子·勸學》）；東漢王充從氣象著眼記述了物態的變化（見《論衡》中的物理知識）。南北朝時的《關尹子》中寫道：“曰寒暑溫涼之變，如瓦石之類，置之火即熱，置之水即寒，呵之即溫，吹之即涼。特因外物有去有來，而彼瓦石實無去來。”它認為瓦石發生寒暑溫涼之變是由於一種“外物”來去的結果，可以說是對熱的描述。
宋、元(960～1368) 宋、元時期的400餘年間，中國的物理知識有較大的發展，除了較集中於沈括的《夢溪筆談》、趙友欽的《革象新書》以外，大量地散見於筆記小說一類的書籍中。
力學方面 雖然在這時期之前已有指南車和記里鼓車,但是關於它們的結構直到宋代才留下較詳細記載。根據這些記載，指南車是以車輪、平輪、立軸等各種齒輪的複合運動為基礎的，只要在車子開始運動時把車上木人手指向南方，以後不管車向那個方向轉動，車上木人將一直指南。記里鼓車是利用車輪帶動大小不同的一套齒輪，使車輪走滿一里時，有一個齒輪剛好轉一圈，並撥動車上木人打鼓一次。這些複雜機械的製造，說明中國古代人嫻熟地掌握了有關齒輪系傳動的知識。
另一個偉大發明是蘇頌和韓公廉在1092年製造了一架大型的水運儀象台。其中有一套稱為“天衡”的槓桿裝置，相當於現在鐘錶裝置中擒縱器，以保證計時裝置的齒輪等時轉動。
產生於宋代的銅製噴水魚洗，在摩擦它的兩耳時會出現複雜的駐波，使水噴突而出。這種工藝品至今還吸引許多人的注意。
宋代曾公亮主編的《武經總要》中轉述《通典》所載的渴烏隔山取水,類似於真空抽水泵的套用,有更多人去探討它的原理。宋代俞琰在《席上腐談》中寫道：“予幼時有道人見教，則劇燒紙片納空瓶，急覆於銀盆之中，水皆湧入瓶，而銀盆鏗然有聲，蓋火氣使之然也。又依法放於壯夫腹上，挈之不墜。即如銅（管）水滴，捻其竅，則水不滴，放之則滴。”曾公亮和俞琰等人都認為，上述這些現象的關鍵在於瓶或管內是否有“氣”。
宋僧懷丙曾於宋治平三年(1066)左右用浮船打撈沉落江中的萬斤鐵牛，“以二大舟實土、夾牛維之，用大木為權衡狀,鉤牛,徐去其土，舟浮牛出”（《宋史·僧懷丙傳》）。這是現代起重浮艇原理的最早套用。
這時期有兩項有關流體力學的重要發明。一是用蓮子、雞蛋或桃仁測量鹽水濃度。宋代姚寬在其所著《西溪叢語》中指出：當鹽水濃度不同時，它們會在水中呈現不同浮沉狀態；元代陳椿在《熬波圖詠》中記述的方法是:先把蓮子分浸於已知濃度的四等鹽水中（最鹹;三分鹽一分水；半鹽半水；一分鹽三分水），然後將這四種蓮子浸於未知濃度的鹽水中，根據這些蓮子各自的浮沉狀態，即可定鹽水濃淡程度。二是相當於現在的“表面張力演示儀”的發明：宋代張世南在《遊宦紀聞》中講到：用細竹篾一條，一頭彎成圓圈，蘸上桐油即可試桐油好壞：若上好桐油，竹圈上有一薄層油麵；若桐油內有雜質，則油膜不附著在圈上。
光學方面 沈括第一次用類比演示實驗來驗證月亮圓缺的科學道理，在《夢溪筆談》卷七中有：“月本無光，猶銀丸，……以粉塗其半，側視之，則粉處如鉤；對視之，則正圓。”他曾實地觀察並解釋雨虹。但他對光學的最重要貢獻還在於他研究了各種鏡子並作了理論的探討。
宋末元初的趙友欽在其所著《革象新書》中描述了一個有關小孔成像的光學實驗，其規模和方法有很高的科學性。
關於色散知識在這時期有了發展。許多典籍記載了晶體的色散現象。如杜季揚《雲林石譜》卷上中描述石英“映日射之,有五色圓光。其質六棱。或大如棗栗,則光采微芒；間有小如櫻珠，五色粲然可喜”。程大昌的《演繁露》中對露滴分光現象作了細緻的敘述：“凡雨初霽或露之未晞，其餘點綴於草木樹葉之末，欲墜不墜，則皆聚為圓點,光瑩可喜。日光入之,五色俱足,閃爍不定，是乃日之光品，著色於水，而非雨露有此五色也。”
聲學方面 沈括在研究了古樂鐘的形狀(扁圓)以後，對其音響效果作了精闢的分析。他認為,圓形鍾音長,有哼音,在快速節奏中發音相互干擾,不成音律；而扁圓形鍾音短，因此可以演奏。這就是古代人把鍾鑄成扁圓形的道理。1978年考古學界在湖北隨縣發現戰國初期曾侯乙墓中一套編鐘共65個（見彩圖）,對其發聲的研究證明,它完全符合沈括當年的論述，從此揭示了扁圓形鍾是可以發展下去的最古老的樂器(還有共振等其他聲學成就,見沈括)。
中國古代的物理知識電和磁方面 指南針和羅盤在此時期有了大發展。人們發現孔雀毛的靜電吸引現象。沈括在《夢溪筆談》中記錄了一個重要現象：在一次雷擊中，在雷電的通路上的金屬物質（刀鞘里的寶刀）全被融化了，而皮革卻依然如故。受沈括記載的啟發，莊綽在南宋初年也觀察到類似現象，在《雞肋編》中記錄雷電燒毀了南雄州福慧寺普賢像，佛像身上凡金屬彩色全部消蝕，而其餘色彩如故。此後有關這方面的大量記載，使人們理解金屬物質與漆器各有特性。
熱學方面 曾公亮主編的《武經總要》中記載了世界上最早的三種火藥配方，在發明火藥的基礎上，出現了各種火藥武器。以火藥噴射推進的火箭至少在13世紀初期已經發明，並在戰爭中實際使用。
宋代陶瑴在《清異錄》中第一次記載了“火寸”的製作方法：“夜中有急，苦於作燈之緩，有智者批杉條，染硫磺，置之待用，一與火遇得焰，穗然既神之，呼引光奴，今遂有貨者，易名火寸。”類似的另一些製作物“發燭”或“焠兒”，發明時間可能還要早。
元末陶宗儀曾親自做過熱脹冷縮實驗。他把帶孔竅的物體加熱後，使另一個物體進入孔洞，從而這兩個物體如“轆轤鏇轉，無分毫縫罅”。他明確地講到，這是前一個物體“煮之胖脹”的緣故（《南村輟耕錄》卷二十三）。
明到清中期(1368～1840) 明、清時期, 西方科學的發展已超過中國，傳教士來華促進了東西方的交流。
力學方面 主要成就見於宋應星的《天工開物》一書。它是世界上最早誕生的有關農業和手工業生產技術的百科全書。它在17世紀世界科學技術中也是一部非常重要的著作。在卷十五《佳兵篇》中記述了測量弓的彈力的方法：“以足踏弦就地，秤勾搭掛弓腰，弦滿之時，推移秤錘所壓，則知多少。”在卷九《舟車篇》中記述了風帆與舟身比例的關係：“凡風篷尺寸，其則一視全舟橫身,過則有患,不及則力軟。”還論述了風帆高度與受力大小的關係；詳細地分析了“搶風”（風從橫來）時的風向、航向以及張帆方向之間的關係；論述了舵的長短對舵力大小、舵的方向對船運動方向的影響。他還指出以金、銀、銅三者的比重不同作為識別三種金屬的方法。
在清康熙和乾隆年間，清政府組織了兩次大規模的大地測量工作。在1708～1718年間進行的一次，在全國測量了630多個地方的經緯度,建立了以北京為中心的經緯網。在這次測量中,決定以工部營造尺為標準, 定1800尺為一里,200里合地球經線一度。這種使長度單位與地球經線一度弧長相關的度量衡制，在世界上是一個創舉。在實測經線一度之長的過程，還發現每度經線因緯度高下而有差別。
王夫之根據中國傳統的元氣說，推測出物質和運動守恆的思想（見王夫之的物質和運動守恆思想）。
光學方面 方以智、黃履莊、孫雲球、鄭復光、鄒伯奇等人都有所貢獻。他們或製造光學儀器，或討論有關原理，或兼而有之。
聲學方面 明代莊元臣明確提出"聲發則氣振"(《叔苴子·內篇》)的思想。方以智《物理小識》卷一記述了空甕砌牆，口向內，則聲音不外傳的隔音技術。明嘉靖九年(1530)，在北京天壇建造的回音壁、三音石和圜丘都有獨特的聲響效應。（見彩圖）
中國古代的物理知識
中國古代的物理知識電和磁方面 除指南針和羅盤在航海中得到普遍套用外,還有一個重要發現,即觀察到磁禁止現象。劉獻庭在《廣陽雜記》卷一中寫道：“磁石吸鐵,隔礙潛通,何物可以隔之？猶子阿孺曰：‘堆鐵可以隔耳。’)其人去復來,曰:‘試之果然。’”明代張居正發現貂裘及綺麗服裝跟人體摩擦的起電現象。幾乎和張居正同時,都邱在《三餘贅筆》中記述了一種絲綢的摩擦起電實驗：“吳綾為裳，暗室中力持曳，以手摩之良久，火星星出。”
