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五则中国古代趣味物理实验:“铜瓮雷鸣”

编辑: 路逍遥 关键词: 初中物理 来源: 记忆方法网

  一:“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。”其注日:“取沸汤置瓮中,坚塞之,内于井中,则作雷鸣,闻数十里。”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2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1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。

  二:“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。”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。”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用时,用“试管履行”来演示。

  三:“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。”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“拔罐疗法”)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。

  四:“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。”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,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,鼓官宫动,鼓角角动,音律同矣。”只不过“纸人共振”实验更为直观和有趣罢了。

  五:“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。”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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