文物中的物理 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

文物中的物理
戴念祖　著
版权信息
书名：文物中的物理
作者：戴念祖
版权：后浪出版咨询（北京）有限责任公司
《清明上河图》（局部）
《春夜宴桃李园图》（局部）
《女史箴图》（局部）
《松溪钓艇图》（局部）
《纨扇仕女图》（局部）
应县木塔
曾侯乙编钟
曾侯乙编磬
天坛祈年殿藻井（仰视图）
天坛圜丘（上）、回音壁（下）
宣化辽代墓壁画《备茶图》（局部）
赤峰元代墓壁画《茶道图》
马王堆汉瑟
曾侯乙十弦琴
西汉长信宫灯
西汉铜雁鱼灯
目录
第一章 力学知识
一、汉代画像石与简单机械
二、从铜奔马说到重心的应用
三、天平、杆秤和杠杆原理
四、弹簧、弓箭与弹性定律的发现
五、从河姆渡的梁木说起
六、是谁推动“转轮藏”
七、回转器的始祖“被中香炉”
八、蒲津桥畔的铁牛与打捞船的创制
九、从应县木塔说起
十、拱桥与虹桥
十一、风筝及其飞行原理
十二、矿物药材及晶体知识
第二章 光学知识
一、从古代的太阳绘画说起
二、人造光源与灯具
三、镜
四、阳燧
五、避邪纳福镜与组合平面镜
六、从“水晶饼”谈到透镜
七、“透光镜”之谜
八、雨虹与色散
九、影戏
十、眼罩和眼镜
第三章 声学知识
一、编钟及其科学文化价值
二、双音钟及其物理原理
三、磬与板振动
四、琴瑟与弦振动
五、律管与管口校正
六、朱载堉与等程律
七、从贾湖骨笛谈起
八、笙簧
九、喷水鱼洗
十、回音壁与莺莺塔
第四章 热学知识
一、古代取火工具
二、冰鉴
三、省油灯与辘轳剑
四、从烧水泡茶的壁画说起
五、砚盒中的物态变化
六、烧窑与火候
第五章 电和磁的知识
一、琥珀与静电知识
二、兵器、塔刹、屋脊吻兽与尖端放电
三、从铁矿遗址说到司南
四、从针碗说起
五、方位针碗与罗盘
参考文献
后记
出版后记
第一章　力学知识
一、汉代画像石与简单机械
在我国科学史上，汉代是值得注意的一个发展高峰期。表征这个时代科学发展的，不仅有成熟的钢铁冶炼技术、耕犁的发明和应用等，还有大量的在砖或石板上雕刻的图画（即画像石和画像砖），其绘画内容包括了许多手工业和农业生产的场面。尤其是，当时许多先进的生产工具和生活用器都逼真地描画于这些石块或砖上。例如，山东滕州宏道院出土的画像石中，有描画锻铁作坊与利用橐鼓风的情景；山东嘉祥洪山出土了绘有制作车轮画面的画像石；山东滕州和陕西绥德出土了牛耕与耕犁画像石；四川成都郊区出土了盐井画像石；等等。它们是汉代科学技术的真切记录，更是汉代留传至今的科学艺术珍品。
在这些画像石中，有一些是近代物理学中被称为简单机械的图画。所谓简单机械，就是指它们能够改变力的大小，或改变作用力的方向。例如，杠杆、滑轮、轮轴、尖劈、斜面和螺旋，都属于简单机械。在19世纪，齿轮也被列为简单机械的一种。最简单的杠杆是一根用于撬动石块或抬重物的木棍；古代的汲水机械——桔槔，古代的衡器——天平或杆秤，都是杠杆原理的巧妙运用。滑轮，在中国古代被称为滑车，不带摇把的辘轳是滑轮的一种；带有摇把以便使之转动的辘轳，是轮轴的一种具体应用。尖劈，在日常生活中到处可见，从最简单的木楔，到各种质地的刀、斧、针，乃至在汉代被普遍用于耕地的犁铧、犁壁或犁镜，都是尖劈原理的应用。斜面，实际上也是尖劈，不过在物理学和机械学中多指用以升举重物的斜面。将斜面卷起来就成为螺旋，在简单机械中，唯它是西方的发明。除了螺旋之外，汉代画像石描绘了其他所有的简单机械。
1.桔槔
据统计，汉代画像石中有约40幅表现庖厨内容的图画。屠宰、清洗和蒸煮加工食物都要大量用水，因此，与庖厨有关的许多绘画中都有桔槔汲水的画面（见图1-1）。
图1-1 汉画像石中的桔槔图
图1-1中的五幅桔槔图均出自山东。其中，①与④为嘉祥宋山画像石，②为临沂白庄画像石，③为梁山百墓山画像石，⑤为济南南张画像石。
从画面上看，在木柱或木架上捆扎一条横木，横木的一端悬吊提水桶，另一端捆扎一石块，这就制成了桔槔。横木的支点到水桶一端，相当于力臂（动力臂）；支点到另一端相当于重臂（阻力臂）。从画面上可见其科学性的是，力臂稍长于重臂。这样，当不汲水时，重臂端力矩大于力臂端力矩，空桶被悬吊在空中；只有施力于力臂，空桶才能升降。当其降落到井中汲水时，由于力臂长于重臂，人所施力可以小于重臂端石块的重力；当提升满水的水桶时，由于重臂力矩的作用，又可以省力地将水桶提到地面。值得注意的是，画面上横木显然是被捆扎在支柱上，而不是在横木上穿孔让支柱穿过它。由此可见，古代人在造桔槔时充分注意到了材料的强度。因为横木一旦被凿孔，破坏了其内部的均匀结构，就容易在使用过程中折断或劈裂。
从桔槔画像石的画面看，悬吊水桶的或是绳索，或是木杆。图1-1中的①、②、④和⑤为绳索的可能性大。如①，画面上表现出绳索被手拉的弯曲状态。⑤颇有趣味，它表现了提水人在不留神时，绳子脱手那一刹那的情景：绳子与水桶在空中飘荡，以至于绳索连续打弯，画面模糊不清了。而③，悬吊水桶的显然是木杆或竹竿；为了使水桶降落井中，木杆是斜插入井中的。作为杠杆用的横木，有些笔直，如①、②；有些弯成弧形了，如③、④、⑤。弯成弧形既可能是长期使用致使横木变形的结果，如③；也可能原本就是特意加工成的弧形木或柔性好的竹板，如④、⑤。虽然这些画像是两千多年前的生活写照，但今天仍然可以在偏僻的农村里一一找到它们的对应物。
画像石是汉代的，但桔槔的起源远早于汉代。明代罗颀编《物原》载：“伊尹始作桔槔。”传说，伊尹是商汤的贤臣。据此，桔槔起源于公元前17世纪。汉代之前，桔槔或作颉皋、楔槔、揳槔、桥衡，或简称槔、桥。《墨子·备穴》载，守城的墨家弟子按照其师墨翟的教诲，当遇敌方挖地道攻城时，便“凿穴迎之”，“以颉皋冲之”。这可能是在桔槔长臂端装上刀具，将它改成挖凿机械或战斗机械了。可见，至晚在战国时期，桔槔已相当普遍。
《庄子·外篇·天地》叙述了孔子的弟子子贡教农夫用桔槔的故事。子贡指出，像桔槔一类机械，“用力甚寡而见功多”，“用力少见功多者，圣人之道”。可是，那农夫宁可抱瓮灌溉田地，也不愿用桔槔一类机械，其理由是，用机械者会产生“机心”，有了 ............

书籍插图：

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