中國古代物理實(shí)驗(yàn)具有的特點(diǎn)分析,物理教學(xué)論文

中國古代物理實(shí)驗(yàn)具有的特點(diǎn)分析,物理教學(xué)論文物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在物理學(xué)發(fā)展經(jīng)過中，實(shí)驗(yàn)占據(jù)重要的位置。假如缺乏實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，物理學(xué)很難有重要發(fā)現(xiàn)。中國古代很多科學(xué)家提倡物理實(shí)驗(yàn)，主張以實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自然現(xiàn)象，識(shí)別事物的真?zhèn)?。?jù)我們國家東漢時(shí)期的王充在其著作(論衡亂世篇〕記載：此尚因緣昔書，不見實(shí)驗(yàn),在(論衡招虎篇〕講：等類諸多，行事比肩，略舉較著，以定實(shí)驗(yàn)也。[1]31這里的實(shí)驗(yàn)指效驗(yàn)、驗(yàn)證之意。除了王充，明末清初的學(xué)者方以智在其所著的(物理小識(shí)自序〕中指出：物有其故，實(shí)講究之，大而元會(huì)，小而草木蠢蠕，類其性情，征其好惡，推其常變，是曰質(zhì)測(cè)。[1]32這里的質(zhì)測(cè)也是指實(shí)驗(yàn)。還有清朝學(xué)者包世臣為鄭復(fù)光著的(費(fèi)隱與知錄〕寫的序言中指出：及其既講而目驗(yàn)之。[1]32這些都是中國古代文獻(xiàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的記載。從歷史發(fā)展的角度來看，中國古代的物理實(shí)驗(yàn)不像古代西方的實(shí)驗(yàn)，尤其是古希臘實(shí)驗(yàn)?zāi)菢咏⒃谟^察實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)演繹的嚴(yán)密邏輯體系基礎(chǔ)上。與之相比，中國古代實(shí)驗(yàn)具有自個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)。1注重直接觀察物理學(xué)是一門觀察的科學(xué)。觀察是物理學(xué)重要的基礎(chǔ)，偉大的科學(xué)家愛因斯坦講過：理論所以能夠成立，其根據(jù)就在于它同大量的單個(gè)觀察關(guān)聯(lián)著，而理論的真理性也正在這里。[2]1中國古代的物理學(xué)研究，注重直接觀察實(shí)驗(yàn)，尤其是實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備匱乏的古代，直接觀察是所有實(shí)驗(yàn)的基本方式方法。如對(duì)熱現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)為例。(管子輕重戊篇〕中記載：燧人作鉆燧取火，以熟葷臊。(莊子外物篇〕：木與木相磨則燃。漢代(淮南子講林訓(xùn)〕：槁竹有火，弗鉆不焦。清代方以智(物理小識(shí)〕：取火于竹，以干竹破之，布紙灰而竹瓦覆上，竹穿一孔，更以竹刀往來切其孔上，三四回，煙起矣。十余回，火落孔中，紙灰已紅。[3]25這都是古代文獻(xiàn)中記載的利用直接觀察法得到運(yùn)用兩物體之間的摩擦運(yùn)動(dòng)生火的原始方式方法。利用古代還使用聚光的方式方法來生火，如東漢時(shí)期人們已經(jīng)意識(shí)到凹形的金屬反射面能夠集聚太陽光生火。(周禮秋官〕上書：司烜氏掌以夫燧，取明火于日。西漢時(shí)期的(淮南萬畢術(shù)〕記載透鏡取火方式方法：削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生。還有魏晉時(shí)期(太清金液神丹經(jīng)〕中記載利用天然晶體聚光取火的方式方法：又有火珠，大如鵝鴨子，視之如冰，著手中洞洞，如月光照人掌，夜視亦然。以火珠白天向日，以布艾屬之承其下，須臾見光火從珠中直下，灑灑如屋溜下物，勃然姻發(fā)火乃然，猶陽燧之取火也。大約在唐代末期，就發(fā)明了利用硫磺與燼火摩擦的引火法，五代陶谷(清異錄〕記載：有智者批杉條，染硫磺，置之待用。一與火遇，得焰穗燃。既神之，呼為引火奴。[3]28這種生火方式極其類似于近代火柴，在西方，1680年英國化學(xué)家波義耳才發(fā)現(xiàn)了用涂有硫磺的小木棒與含有磷質(zhì)材料的紙摩擦燃火方式方法，進(jìn)而產(chǎn)生了近代火柴。我們國家古代的實(shí)驗(yàn)大多是利用日常生活中經(jīng)歷體驗(yàn)和直接觀察，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。并沒有把這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的原理總結(jié)和理論深化，缺乏嚴(yán)密的邏輯、深層次理論分析和歸納原理。2注重觀賞性中國古代實(shí)驗(yàn)和古希臘的實(shí)驗(yàn)比擬，更具有觀賞性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過給人美感。在西漢時(shí)期的(淮南萬畢術(shù)〕中記載了關(guān)于艾火令雞子飛的實(shí)驗(yàn)。取雞子去殼，燃艾火內(nèi)空中，疾風(fēng)高舉，自飛去。和取雞子去其汁，燃艾火內(nèi)空卵中，疾風(fēng)，因舉之飛。[3]34這其實(shí)就是利用熱氣體對(duì)流原理做的模擬實(shí)驗(yàn)。把雞蛋去殼或者剩下外殼，兩種方式方法都是讓殼內(nèi)燃燒艾草，使殼內(nèi)的氣體受熱膨脹，古人根據(jù)熱氣體對(duì)流的原理做的模擬實(shí)驗(yàn)?？酌鳠艟褪窃獾桨鹆铍u子飛的實(shí)驗(yàn)發(fā)明的，在當(dāng)代社會(huì)孔明燈成了夜空中可供觀賞和欣賞的一道風(fēng)景。歐洲到了17世紀(jì)才有類似雞蛋升空的實(shí)驗(yàn)。再如中國古代的色散現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，唐代道士張志在(玄真子〕外篇中記載了人造彩虹的實(shí)驗(yàn)：被日噴乎水，成虹霓之狀。[3]69唐代經(jīng)學(xué)家孔穎達(dá)也曾指出：云薄漏日，日照雨滴則虹生。[3]69這些模擬彩虹產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)，給人以美感。再如鏡面成像的實(shí)驗(yàn)，中國道教的教士在修煉時(shí)，利用多面鏡子組合成像構(gòu)成形影難辨的虛幻效果。五代的道士譚峭描繪敘述了這種用多面鏡子組合成像的虛幻情境：以一鏡照形，以余鏡照影，鏡鏡相照，影影相傳。不變冠劍之狀，不奪黼黻之色。是形也，與影無殊；是影也，與形無異。乃知形之非實(shí)，影之非虛，無虛無實(shí)，可與道俱。〔(化書〕〕像這樣鏡像組合的例子在中國古代還很多，fo家也曾應(yīng)用這種鏡像組合與燭光構(gòu)成fo影交相輝映的美妙境界。在中國古代這樣的觀賞性實(shí)驗(yàn)還很多，這里就不逐一列舉。3注重實(shí)用性和古希臘的科學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，中國古代的實(shí)驗(yàn)更符合統(tǒng)治階級(jí)的需要，更注重于運(yùn)用，具有實(shí)用性，缺乏對(duì)科學(xué)原理的歸納和總結(jié)。例如：在古代歷代統(tǒng)治者都喜歡看歌舞演奏，因而而注重音律研究，在中國古代人們發(fā)現(xiàn)琴弦的發(fā)音會(huì)隨著溫度和濕度而變化。(淮南子本經(jīng)訓(xùn)〕中記載風(fēng)雨之變，能夠音律知之[3]36.在西漢人們就已經(jīng)知道了氣候的變化會(huì)影響音律變化。為了更好地把握空氣濕度的測(cè)量，最早的空氣驗(yàn)濕氣記載在漢代的(淮南子天文訓(xùn)〕中：陽氣為天，陰氣為水。水勝，故夏至濕；火勝，故夏至濕；火勝，故冬至燥。燥故炭輕，濕故炭重。[3]36這是利用炭的質(zhì)量變化制成的天平式驗(yàn)濕器，表現(xiàn)出中國古代實(shí)驗(yàn)和實(shí)用性特征。歐洲直到15世紀(jì)才有利用羊毛等材料制成的驗(yàn)濕器。谷應(yīng)泰在(明史記事本末〕中介紹了徐有貞1453年授命往山東張秋治水時(shí)做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)：初，有貞方鳩功，有言沮者，上使中使問之。有貞示以二壺，一壺之竅一，一壺之竅五，注水二壺，五竅先涸。中使還報(bào)上，上惟有貞之所為。[4]實(shí)驗(yàn)用開一大孔和開五小孔的兩把盛有同體積水的壺，大孔面積等于五小孔面積之和，開小孔的壺中的水先流完。實(shí)驗(yàn)的目的是為了證明對(duì)黃河分河疏流的合理性。在(三國志魏書〕中記載了曹沖稱象的故事，曹沖置象大船之上，而刻上其水痕所置，稱物以載之，則?？芍印5]曹沖解決了稱象以后，就再?zèng)]有進(jìn)行理論的總結(jié)和深化，在中國古代還有很多在應(yīng)用浮力定律原理上的異曲同工，卻沒有關(guān)于浮力定律的記載。浮力定律最早的提出者是古希臘的著名物理學(xué)家阿基米德，阿基米德在解決國王新制的金制王冠能否摻入銀子這一難題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了浮力定律，皇冠問題解決以后，阿基米德就建立了以他的名字命名的重要定律阿基米德定律，并記載在他的著作(論浮力〕中。由此可知，和古希臘的科學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，中國古代科學(xué)實(shí)驗(yàn)更注重實(shí)用性，缺乏普遍理論的總結(jié)和歸納。4注重趣味性中國古代的實(shí)驗(yàn)還具有趣味性的特點(diǎn)，這些實(shí)驗(yàn)構(gòu)思奇特，設(shè)計(jì)巧妙，如迎風(fēng)轉(zhuǎn)秫的實(shí)驗(yàn)，(帝京景物略〕云：剖秫秸二寸，錯(cuò)互貼方紙，其兩端各紅綠，中孔，以細(xì)竹橫安秫竿上，迎風(fēng)張而疾趨，則轉(zhuǎn)如輪，紅綠渾渾如暈。[6]1實(shí)驗(yàn)原理就是利用風(fēng)能去推動(dòng)秫秸轉(zhuǎn)動(dòng)，在逆風(fēng)行走的經(jīng)過中，高粱稈快速轉(zhuǎn)動(dòng)，如飛輪狀，紅綠兩種顏色就像日暈?zāi)菢訙喨灰惑w，構(gòu)成特別美麗的色環(huán)。又如(漢書王莽傳〕記錄了著翼起飛的人類第一次滑翔飛行實(shí)驗(yàn)：取大鳥翮為兩翼，頭與身皆著毛，通引環(huán)鈕，飛數(shù)百步墮。[6]1這是一個(gè)模擬鳥飛行的驚險(xiǎn)有趣的實(shí)驗(yàn)，也充滿了趣味性。在中國古代像這樣充滿趣味性的實(shí)驗(yàn)還很多，與古希臘的科學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，古希臘更注重推論實(shí)驗(yàn)，尤其是阿基米德的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在觀察基礎(chǔ)上與歐幾里得的幾何學(xué)相結(jié)合，加上邏輯推理，構(gòu)成了西方體系中的幾何演繹實(shí)驗(yàn)法。相比擬趣味性不如中國古代實(shí)驗(yàn)濃烈厚重。5對(duì)物理教學(xué)的啟發(fā)在物理教學(xué)中，老師講授物理學(xué)知識(shí)和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將中國古代物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)運(yùn)用在華而不實(shí)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的觀察檢驗(yàn)?zāi)芰?，理論知識(shí)的運(yùn)用能力和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣等具有重要作用。首先，在物理教學(xué)中注重直接觀察，有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察檢驗(yàn)?zāi)芰?。物理學(xué)是一門注重觀察實(shí)踐的科學(xué)，在物理教學(xué)中，尤其在實(shí)驗(yàn)中注重培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，讓學(xué)生通過直接觀察，獲取真知。例如：在慣性秤的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中考察重力對(duì)慣性秤的影響時(shí)，能夠先讓學(xué)生觀測(cè)秤臺(tái)豎直放置時(shí)較水平放置周期變化，再用理論解釋觀察到的現(xiàn)象[7].讓學(xué)生通過直接觀察，去探究、實(shí)踐，獲得科學(xué)結(jié)論。其次，在物理教學(xué)中注重實(shí)用性，有利于加強(qiáng)學(xué)生理論知識(shí)的運(yùn)用能力。物理學(xué)是一門和日常生活現(xiàn)象嚴(yán)密相連的科學(xué)，學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用于生活和周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的實(shí)用性。例如：研究不同材質(zhì)的傳熱性能，研究電冰箱內(nèi)外的溫度差與所耗電能的關(guān)系，研究怎樣使紙飛機(jī)飛得更高層次等實(shí)用性較強(qiáng)的問題[8]75.最后，在物理教學(xué)中注重觀賞性和趣味性，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重實(shí)驗(yàn)的觀賞性和趣味性，利用新奇有趣的演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的新鮮感，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如：用雞蛋代替鋼球使慣性實(shí)驗(yàn)變得驚險(xiǎn)；在物體沉浮條件實(shí)驗(yàn)中，觀察雞蛋在不同液體中的沉浮情況；將氣球壓在釘子床上，使壓力的作用效果實(shí)驗(yàn)巧妙有趣，這些實(shí)驗(yàn)都能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]73.以下為參考文獻(xiàn)：[1]許中才。中國古代物理實(shí)驗(yàn)初探[J].渝州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1989〔4〕：31-36[2]程九標(biāo)，張憲魁。物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的藝術(shù)[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社，2003[3]胡化凱。物理學(xué)史二十講[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2018:28[4]粟新華。中國古代趣昧物理實(shí)驗(yàn)十摘[EB/OL].〔2007-11-09〕[2021-02-20].[5]張瑤，傅在琦。從浮力定律看近代中國科技落后的原因[J].昭通師范高等