中國古代物理實驗具有的特點分析,物理教學(xué)論文

中國古代物理實驗具有的特點分析,物理教學(xué)論文物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，在物理學(xué)發(fā)展經(jīng)過中，實驗占據(jù)重要的位置。假如缺乏實驗基礎(chǔ)，物理學(xué)很難有重要發(fā)現(xiàn)。中國古代很多科學(xué)家提倡物理實驗，主張以實驗來驗證自然現(xiàn)象，識別事物的真?zhèn)巍?jù)我們國家東漢時期的王充在其著作(論衡亂世篇〕記載：此尚因緣昔書，不見實驗,在(論衡招虎篇〕講：等類諸多，行事比肩，略舉較著，以定實驗也。[1]31這里的實驗指效驗、驗證之意。除了王充，明末清初的學(xué)者方以智在其所著的(物理小識自序〕中指出：物有其故，實講究之，大而元會，小而草木蠢蠕，類其性情，征其好惡，推其常變，是曰質(zhì)測。[1]32這里的質(zhì)測也是指實驗。還有清朝學(xué)者包世臣為鄭復(fù)光著的(費隱與知錄〕寫的序言中指出：及其既講而目驗之。[1]32這些都是中國古代文獻對于實驗的記載。從歷史發(fā)展的角度來看，中國古代的物理實驗不像古代西方的實驗，尤其是古希臘實驗?zāi)菢咏⒃谟^察實驗和數(shù)學(xué)演繹的嚴密邏輯體系基礎(chǔ)上。與之相比，中國古代實驗具有自個獨特的特點。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，注重直接觀察實驗，尤其是實驗儀器和設(shè)備匱乏的古代，直接觀察是所有實驗的基本方式方法。如對熱現(xiàn)象的認識為例。(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〕：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這都是古代文獻中記載的利用直接觀察法得到運用兩物體之間的摩擦運動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，如東漢時期人們已經(jīng)意識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，進而產(chǎn)生了近代火柴。我們國家古代的實驗大多是利用日常生活中經(jīng)歷體驗和直接觀察，進行實驗的結(jié)果。并沒有把這些實驗進行進一步的原理總結(jié)和理論深化，缺乏嚴密的邏輯、深層次理論分析和歸納原理。2注重觀賞性中國古代實驗和古希臘的實驗比擬，更具有觀賞性，整個實驗經(jīng)過給人美感。在西漢時期的(淮南萬畢術(shù)〕中記載了關(guān)于艾火令雞子飛的實驗。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這其實就是利用熱氣體對流原理做的模擬實驗。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)熱氣體對流的原理做的模擬實驗。孔明燈就是遭到艾火令雞子飛的實驗發(fā)明的，在當(dāng)代社會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世紀才有類似雞蛋升空的實驗。再如中國古代的色散現(xiàn)象的實驗，唐代道士張志在(玄真子〕外篇中記載了人造彩虹的實驗：被日噴乎水，成虹霓之狀。[3]69唐代經(jīng)學(xué)家孔穎達也曾指出：云薄漏日，日照雨滴則虹生。[3]69這些模擬彩虹產(chǎn)生的實驗，給人以美感。再如鏡面成像的實驗，中國道教的教士在修煉時，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，影之非虛，無虛無實，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驗還很多，這里就不逐一列舉。3注重實用性和古希臘的科學(xué)實驗相比，中國古代的實驗更符合統(tǒng)治階級的需要，更注重于運用，具有實用性，缺乏對科學(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影響音律變化。為了更好地把握空氣濕度的測量，最早的空氣驗濕氣記載在漢代的(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濕器，表現(xiàn)出中國古代實驗和實用性特征。歐洲直到15世紀才有利用羊毛等材料制成的驗濕器。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做的一個實驗：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。中使還報上，上惟有貞之所為。[4]實驗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。實驗的目的是為了證明對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?。[5]曹沖解決了稱象以后，就再沒有進行理論的總結(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，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)實驗相比，中國古代科學(xué)實驗更注重實用性，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驗還具有趣味性的特點，這些實驗構(gòu)思奇特，設(shè)計巧妙，如迎風(fēng)轉(zhuǎn)秫的實驗，(帝京景物略〕云：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(fēng)張而疾趨，則轉(zhuǎn)如輪，紅綠渾渾如暈。[6]1實驗原理就是利用風(fēng)能去推動秫秸轉(zhuǎn)動，在逆風(fēng)行走的經(jīng)過中，高粱稈快速轉(zhuǎn)動，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驗：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這是一個模擬鳥飛行的驚險有趣的實驗，也充滿了趣味性。在中國古代像這樣充滿趣味性的實驗還很多，與古希臘的科學(xué)實驗相比，古希臘更注重推論實驗，尤其是阿基米德的科學(xué)實驗，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驗法。相比擬趣味性不如中國古代實驗濃烈厚重。5對物理教學(xué)的啟發(fā)在物理教學(xué)中，老師講授物理學(xué)知識和指導(dǎo)學(xué)生進行實驗時，將中國古代物理學(xué)實驗的特點運用在華而不實，對于培養(yǎng)學(xué)生的觀察檢驗?zāi)芰?，理論知識的運用能力和激發(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?zāi)芰?。物理學(xué)是一門注重觀察實踐的科學(xué)，在物理教學(xué)中，尤其在實驗中注重培養(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：在慣性秤的實驗教學(xué)中考察重力對慣性秤的影響時，能夠先讓學(xué)生觀測秤臺豎直放置時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、實踐，獲得科學(xué)結(jié)論。其次，在物理教學(xué)中注重實用性，有利于加強學(xué)生理論知識的運用能力。物理學(xué)是一門和日常生活現(xiàn)象嚴密相連的科學(xué)，學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識應(yīng)用于生活和周圍環(huán)境，實現(xiàn)理論知識的實用性。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，研究怎樣使紙飛機飛得更高層次等實用性較強的問題[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。在物理實驗教學(xué)中注重實驗的觀賞性和趣味性，利用新奇有趣的演示實驗，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驗變得驚險；在物體沉浮條件實驗中，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驗巧妙有趣，這些實驗都能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]73.以下為參考文獻：[1]許中才。中國古代物理實驗初探[J].渝州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1989〔4〕：31-36[2]程九標，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驗十摘[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