中國古代趣味物理實驗

刻魚測雨

漢代有一個奇特的物理實驗，儀器是用玉石雕刻的魚。這種魚可能爲橢圓形、中空，髟耆尾皆具。實驗目的是以魚的鳴吼來預測天氣。原文見《西京雜記》：“昆明池刻玉石爲魚。每至雷雨常鳴吼，髟耆尾皆動。漢世祭之祈雨，往往有驗。”這個實驗巧妙地運用了共振效應，效果相當不錯。使那些不知原理的人。對石魚產生敬仰，並頂禮膜拜。

我們清楚，風暴時，強風掠過海面會產生次聲波，次聲波和風暴怒吼的聲波一起向四面八方傳播，聲波很容易被空氣和大海“吃”掉，唯有頻率很低的次聲波在傳播過程中能量損失慢、傳播距離遠。加之次聲波比風浪速度快許多倍，它能成爲風暴來臨的警報。但次聲人耳無法分辨，如果能製造一種儀器，將次聲變爲可聞聲，那麼這一裝置就成爲一種風暴報警器。石魚就是這樣一種裝置：它張口，腹空，當次聲波不斷對它施以週期性外力時，石魚作受迫振動。若聲波的策動力頻率與石魚的固有頻率成倍數關係，石魚產生非線性共振，發出聲波。其中，高頻部分爲可聞聲。此時，石魚“髟耆尾該動”，其聲學效應表現爲大聲“鳴吼”。

在中國古代，利用共振效應預測天氣、地震、兵亂的例子不勝枚舉。如：“石鼓，冀縣有天鼓山，山有石如鼓，河鼓星搖動，則石鼓鳴，鳴則秦土有殃”;“陝州黃河有鍾，大水小水常自浮出，每昧朔陰雨之日輒鳴，聲響悲亮，行客聞之莫不愴然”;“康熙戊申六月十七日戌刻，山東、江南、浙江諸省，同時地大震……又天鼓鳴，鐘鼓自嗚”;“漢武帝時，未央宮前殿鍾無故自鳴，三日三夜不止。詔問太史，待詔王朔，朔言恐有兵氣。”

可見，“刻魚測雨”實驗有其堅實的理論基礎，這些理論是在不斷觀察、分析中總結出來的。我國漢代就有如此奇妙的實驗，這的確是炎黃子孫值得驕傲的事情。

固體傳聲

“截竹筒兩枚，空其兩端，各以一面用皮紙冒之，膠封甚固。兩筒紙面相向，取長數丈細線穿過之，使兩人各執一筒，一人屬口於此筒之空面，一人屬耳於彼筒之空面，相去數丈，屬口者隨意言語，屬耳者聽之了了，他人不聞也。”

這是一個證明固體也能傳聲的實驗。此實驗在現行初中物理課本也能找到。實驗中的裝置，叫“傳聲筒”，今稱“土電話”。很明顯，當有人對着細線一端的竹筒(發話筒)講話時，空氣發生振動，它推動皮紙與細線振動。此時，細線另一端的皮紙也跟着振動，這樣皮紙又帶動竹筒(受話筒)內空氣振動，把聲音傳給受話的一方。這裏，話筒起着“共鳴”箱的`作用。 在中國古代，常常有人通過挖掘地道的方法向城內發起進攻，爲了判辨敵方是否採用這一手段，就得使人偵察。《墨經》雲：“令陶者爲罌，空四十鬥以上，固(順)之以薄革各革，置井中，使聰耳伏罌而聽之，審知穴之所在，鑿穴迎之。”

仔細分析，上述“傳聲筒”與《墨經》中的“聽甕”相似。可以認爲，“罌”相當於“聽話筒”，敵人的地道相當於“發話筒”，而連接地道與罌裏的泥土相當於“線”。不僅如此，“聽翁”裝置與當今有線電話也相似，如果把“聽翁”裝置說成是電話的始祖，應當是可以使人接受的。

銅鏡透字

古代有一種鏡子，用銅鑄成，不僅能照人容貌，而且當光束射到鏡面時，鑄在鏡子背面的銘文圖案，還會“透”過鏡子映現在屋壁上，非常清楚。這種鏡子叫“透光鏡”，現已作爲演示實驗儀器將它搬上講臺。透光鏡始於西漢。它與編鐘、魚洗一起，被稱爲中國古代青銅三寶。

用透光鏡進行實驗演示，最早的文字記載見於隋唐的《古鏡記》，因文字較長，不作敘述。現摘北宋沈括的實驗記錄如下：

“世有透光鑑，鑑背有銘文，凡二十字，字極古，莫能讀。以鑑承日光，則背文及二十字皆透屋壁上，了了分明。”

銅鏡何以透光?沈括說：“人有原其理，以爲鑄時薄處先冷，唯背文上差厚，後冷而銅縮多。文雖在背，而鑑面隱然有跡，所以於光中現。”這種解釋合符科學道理。顯然，透光鏡鑄成後，鏡面會有肉眼不易覺察的與鏡背銘文相對應的微小起伏，這種微小起伏是在鑄造加工中形成的。鑄鏡時，鏡背的花紋凹凸處凝固收縮，產生鑄造應力，加之鏡面在研磨時產生壓應力，造成彈性形變。當鏡面研磨到一定的程度時，這些因素共同作用，使鏡面產生與鏡背銘文相應的曲率。光束照在鏡面，鏡的微小起伏經光程放大，便顯示出其“透光”效應了。關於透光鏡的文字記載還有許多，如宋代的《癸卒雜識》、《雲煙過眼錄》、元代的《間居錄》、清代的《銅仙傳》、《鏡鏡言令癡》、《前塵夢影錄》、《淵鑑類函》等等均有涉及。