物理五千年（典藏版）/少儿科普名人名著书系

作者简介

朱恒足，1956年2月生，湖南衡阳人，曾先后就读武汉第一师范学校和华中师范大学物理系。现任湖北教育出版社编审，中国科普作家协会会员，湖北省科学史学会理事。 长期从事青少年科普读物的编辑和创作工作，其著述《物理五千年》在中国大陆出版后，被中国台湾购买了繁体版权，并在中国香港、中国台湾发行，此书在中国香港被评为向广大青少年推荐的“10本好书”之一。同时，此书曾获全国和湖北省优秀科普作品奖。 作者本人曾获湖北省科技进步奖，被授予湖北科普先进工作者称号，2007年在中国科普作协第五次全国代表大会上被评为“在科普编创工作方面有突出贡献的科普作家”。

内容简介

一、萌芽时期 从西安半坡遗址谈起 早在5000多年前人类的原始社会，就产生了物理学的萌芽。力学是物理 学发展的先导，人类自从学会了使用劳动工具，也就具有了初步的力学知识 。 我们古老的中华民族，在世界文明史上占有重要的位置，她不仅创造了 丰富多彩的物质文化，对早期力学的产生和发展也作出过杰出的贡献。纵观 石器时代的石器、陶器，青铜时代的铜器，以及铁器时代的各种器物和古建 筑等，无不包含着深刻的力学原理。 特别值得一提的是，早在距今5000多年前的仰韶文化时期，我们的祖先 就懂得巧妙地运用重心和浮体平衡的原理。“敧器”(敲：音ji)的运用就是 一例典型的证明。 所谓“敧器”，是我国古代一种特殊的盛水容器。《孔子家语》上曾记 载了这样一个故事：一次，孔子和弟子们来到鲁庙，见到了一个很奇特的盛 水容器。这个容器没有装水时是倾倒的，水装到一定位置时，容器就会自行 站立起来，如果继续往里装，水将齐瓶口时，容器又会倾倒。 当时，孔子的弟子们向他请教其中的道理，孔子以前曾听说过这种被称 为敧器的容器，但对这种容器为什么会有这样奇特的性能，孔子也回答不出 一二来。他只好借题发挥，讲了一番“损之而又损，谦之而又谦”的道理。 关于这种容器，古书《荀子》上也曾有过“虚则敧，中则正，满则覆” 的记载。但由于古书上没有记载这种容器的构造和原理，这种神秘的东西后 来失传了。据说南北朝的著名科学家祖冲之，唐代的机械制造家李皋都重造 过，但也失传了。多少年来，敧器的秘密一直没有揭开，历史上称之为“敧 器之谜”。 1959年，我国考古工作者在古城西安的东郊，挖掘出了一个古代氏族社 会的遗址。由于这个遗址地处半坡村，所以被称作“半坡遗址”。 在半坡遗址中，发现了许多有珍贵价值的出土文物，其中有一件陶瓶特 别引起了考古学家们的重视。当时这件陶瓶已经破损，经过仔细修复还原后 ，这只陶瓶完整地呈现在人们面前。只见它腹大，口小，底尖并带有两个提 耳，经专家鉴定，断定它就是失传多年的敧器，为5000多年前的遗物。 早在5000多年前的氏族社会里，我们的祖先就制作了这种“敧器”来汲 水和盛水。使用时，因为瓶是尖底的，整个鼓器的重心就高于支点(提耳)之 上，因此用绳拴在提耳上，悬吊着的空瓶就易于倾倒。注入一些水之后，下 面加重了，重心便移到支点以下，这时容器就正立了。注满水时，由于上部 容量大于下部，重心又移到支点以上，瓶子又会倾覆过去。用这种敧器汲水 时，空着放到水面时便会自动倾倒，水即将汲满时，不必用手扶它就能自动 正立。装入水后悬挂起来，取用时，因为容器重心在支点以下很近的地方， 只需轻轻一抬底部即可倾倒出水，非常省力。 经过对实物的考证研究，科学家们终于揭开了“鼓器之谜”。所谓敲器 的奥妙所在，是利用了物体重心随着水位而变化，凭借重力帮助人们做功。 早在5000多年前的氏族社会，古代劳动人民就发明创造了这种包含着深奥物 理学原理的汲水和盛水工具，实在令人惊讶。 现在，这只珍贵的文物被作为5000多年前我们民族高度智慧的象征，陈 列在西安半坡博物馆里。2007年暑期，笔者在参观英国大英博物馆时，就见 到了出土于中国的这种提水壶。 在我国古代，还流传过一种被称为“不对称壶”的容器。不对称壶和上 面所讲的敧器构造有所不同，但物理原理完全一样。 这种木制壶的外表成对称形状，实际上壶的重心并不对称。它也利用了 注入水后，重心就移动变化的原理。壶是否倾倒，主要取决于重心在不在壶 与地板相接触的面上。 不对称壶的原理如上图所示。当壶没装水的时候，重心偏向一边，发生 倾倒。适当加入水的时候，重心逐渐移到中间部分，这时壶可以自行正立起 来。可是当壶里的水灌满的时候，因为水的密度通常比木头的密度大，同体 积的水比木头重，重心又偏向水一边，所以壶又倒覆了。 金字塔巨石之谜 公元前25世纪左右，当欧洲还处在蒙昧时期，在亚非交界的埃及尼罗河 流域，已耸立起一座反映古代奴隶高度智慧水平的丰碑——金字塔。 这一时期的埃及古王国，统治国家的法老(对国王的尊称)自称为太阳神 之子，对臣下享有至高无上的权威。法老死后，要兴建巨大的石头陵墓，这 种陵墓底座是四方形，每面按照三角形用石块向上垒砌，整体呈现为一个四 棱锥。它的形状有点像汉字的“金”字，因此称为“金字塔”。 在历代法老的金字塔中，埃及古王国第四王朝的法老胡夫的大金字塔， 无论是建筑规模还是建造技术都堪推首位。胡夫大金字塔位于开罗西面一个 叫做吉萨的地方，它的建成虽然已有4500余年的历史，但至今仍然是世界上 最伟大的石头建筑之一，而且在19世纪巴黎的埃菲尔铁塔建成以前，它一直 是世界上最高的建筑。在整个人类历史上，还没有任何一种古迹能像胡夫大 金字塔那样引起人们的感叹，激起人们的好奇心和产生如此广泛的推测。 从胡夫大金字塔得出的一组数据告诉我们，4500年前的埃及奴隶社会， 已有了相当高的力学、数学和测量学水平。大金字塔基础占地52900平方米 ，塔底每边长230米，塔高146.6米，相当于40层摩天大楼的高度。金字塔共 用巨石230万块构成，每一块的重量从2.5吨到50吨不等。大金字塔显示了惊 人的建筑技术，它表面覆盖的一层石头，切割得如此方正和拼合得如此紧密 ，以致接缝处连一张薄纸也难以插入。它的东南角和西北角的高度相差仅 1.27厘米，而底面各边长度相差不过20厘米，其误差不到0.9%。如果不是事 先对角度、线条、基础承受压力等方面进行了精密的计算，是不可能达到这 种结果的。更令人惊奇的是，金字塔的高和底边长之比，正好符合数学上著 名的黄金分割律。 以上这些惊人的数据，使某些科学家对大金字塔的建造是否是人工所为 提出了怀疑。他们怀疑的理由之一是：当时的埃及奴隶社会并不知道在建筑 工程中使用车辆和畜力，滑轮、滑车、绞车和起重机这些设备也没产生，他 们仅仅依靠石制的和红铜制的简陋工具，以及他们自身筋肉的力量，怎么能 将重几吨乃至几十吨的石块搬运到一百多米高的塔上去呢？ 围绕着这个“金字塔之谜”，许多科学家和考古学家在寻求着答案，有 一些科学家还提出了各种离奇的推测。一部分科学家认为，像金字塔这样的 工程，只有依靠电子计算机才可能完成，很可能是从另一个星球上来的超智 慧“人类”的产物。还有一部分科学家则认为，金字塔根本就不是古代帝王 的陵墓，而是预言未来一切重大历史事件的资料保存所，或是星际灾祸的纪 念碑，或是一种宇宙测量系统的标志。 1986年，一位在世界上颇有影响的科学家大卫·杜维斯，对金字塔之谜 提出了一种全新的见解——“金字塔的巨石是人造的”。 他对5块金字塔的巨石进行了化学分析，发现这些石头是用“石灰和贝 壳经人工浇铸混凝而成的”。大卫·杜维斯甚至声称，在一块石头中，他发 现了一绺头发，保存得很好。 但也有学者对此提出质疑，既然开罗附近有许多花岗岩山丘，那么，古 埃及人为什么舍此而去用一种复杂的操作方法来制造那难以数计的石头？大 卫·杜维斯的说法解释了大石块无法搬运的难题，但似乎仍然令人难以信服 。 “金字塔之谜”争论的焦点集中到了如何解释沉重石块的搬运问题上。 经过多年的调查研究和考证，多数科学家比较倾向这样一条结论：打开 “金字塔之谜”的钥匙，是奴隶们运用了物理学上的一条基本原理——一斜 面原理。 原来，在大金字塔的整个构造中，内部是由一种粗红砂石所构成，这种 石头产于大金字塔所在的吉萨本地；而金字塔表面所用的巨大石灰石则是来 自尼罗河的东岸。当奴隶们利用撬杠和驳船，把沉重的石头运到位于尼罗河 西岸边的吉萨时，岸边留下了一条从河边到岸上18米宽的堤道，石块就是顺 着堤道拖上去的。 大金字塔建成2000多年后，希腊历史学家希罗德曾经访问过吉萨。他记 载说，当时这种雄伟的堤道给人留下的印象几乎和金字塔本身同样的深刻。 运到堤岸上的石块又如何移到金字塔上去呢？大量的考证发现，石块是 由人力通过一道由泥土、砖和碎石砌成的斜坡拖上去的。迄今为止，在胡夫 大金字塔旁边的另外三座金字塔附近，仍然可以见到类似的斜坡残迹。为了 保持斜面适当的倾斜度，当金字塔的每一层石头盖上去以后，斜坡就应该加 高和延长。据科学家计算，胡夫大金字塔的斜坡长度，最后要达到1600米， 修筑坡道的土石方量大大超过了金字塔本身。在当时的技术条件下，斜坡作 为金字塔建筑的“脚手架”是必不可少的。 你看，为金字塔巨大石块当年是如何搬运的问题，学术界进行了多年的 争论，没想到解开这个谜底的钥匙，竟是简单的斜面原理。 不论学术界把问题考虑得多么复杂，但在当时生产力极度低下的古埃及 奴隶社会，聪明的奴隶们只能用这种既简单又实用的方法。 P1-8