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第一篇古代物理学------启明之光第一章中国古代的物理学萌芽第二章西方古代古代物理学进展第一章中国古代的物理学萌芽第一节：物质本原思想一元素与原子的观点1.阴阳学说2.五行思想（3.原子的观点）二元气说第二节：物理学知识的积累一.力学二.热学三.光学四.电磁学五.声学六.天文学概况在古代，无论是古希腊还是中国，都谈不上有“物理学”。当时人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法，也不可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括，使之成为完整的知识体系。但这一阶段仍是物理学形成和发展的先导和渊源。是物理学发展的孕育和萌芽时期。在中国，自夏、商、西周起，随着手工技术的发展，物理知识开始积累。春秋战国时期科学技术蓬勃发展，中国古代物理学开始形成；秦汉时期，形成一个发展高峰；宋元时期达到鼎盛。至此，在西方近代科学诞生之前，中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位。明末至清初以后，科学和科学技术的发展逐渐落后于西方，这一时期，西方物理知识开始向中国输入。一.元素与原子的观点1.阴阳学说阴阳是中国古代哲学的一对范畴。阴阳的最初涵义是表示阳光的向背，向日为阳，背日为阴。后来，又给它赋予了一定的意义，把自然界和社会上一切对立的现象抽象为阴阳，用阴阳概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力，用来解释天文气象、四季变化、万物兴衰等自然现象。如气候的寒暖，方位的上下、左右、内外，运动状态的躁动和宁静，以及天地、男女、昼夜、君臣、夫妻等。阳代表积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、太阳等阳性和具有这些特征的事物；阴代表消极、退让、柔弱、下降、寒冷、晦暗、雌性、月亮等阴性和具有这些特征的事物。第一节：物质本原思想认为：阴阳的对立统一运动，是自然界一切事物发生、发展、变化及消亡的根本原因。是自然界一切事物运动变化的固有规律。阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律。阴阳学说的基本内容包括阴阳对立、阴阳互根、阴阳消长和阴阳转化四个方面。“阴阳有序、整体和谐”是世间的最佳状态，也是事物稳定的基本保证。《周易》以阴阳的范畴为基础，说明天地变化及各种现象：“易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦”（《易经·系辞上》）。意思是：宇宙的的本原是‘太极’（物质的原始状态），太极生出天地（阴阳），天地生出四时（春、夏、秋、冬），再生出‘八卦’（天、地、山、泽、水、火、风、雷）。白纸称为无极，画上一个圆圈，称为无极生太极（宇宙），中间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，中间的曲线表示了阴阳的相互运动和相互转化。黑白两个半球中各有一个与之颜色相反的小圆圈，称为阴阳子，表示阴中有阳，阳中有阴。四象和阴阳的组合再生八卦：乾、坤、震、撰、坎、离、艮（gèn）、兑。八卦则是其形式化和符号化：－－为阴，——为阳，分别称作‘阴爻（yáo)’和‘阳爻’，阴爻和阳爻的组合构成四象：2223《周易》是以阴（阴爻－－）、阳（阳爻—）为基本单位而形成的一种对事物的理论性把握。阴与阳二单位的不同组合形成八卦，将八卦中之任意两卦叠合即形成六十四卦。每卦有六爻，共组成384爻。八卦的卦、爻、位之间，有复杂的关系，64卦的卦象变化和爻数就更加复杂，它反映了事物之间错综复杂的相互关系。在易学中，事物的性质即由阴与阳所占整体成份之多少及阴阳空间相对位置关系所决定。２.五行思想五行：金、木、水、火、土五种基本物质或元素。“水曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑。”（《尚书·洪范》）构成：世界万物皆由上述五种元素构成。“以土与金、木、火、水杂，以成百物”（《国语·郑语》）。相互关系：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。发展：五行说的起源早于“太极”和“道”，在殷末已普遍流传；春秋战国时期，五行说与阴阳说相结合，形成了阴阳五行说，形成了五行相生相克的关系。宋代以后，五行作为由太极到万物的中间环节，被容纳于宇宙生成体系之中。宇宙由太极而生，太极生出阴阳，阴阳生出五行，五行相互作用，生出男女及世间万物。和西方比较：古希腊的四根说，古印度的四大说，无金。1.概述：中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一种统一的物质，认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成，而不像“五形说”是各种元素的组合。在“道”和“太极”的思想指导下，逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说”。春秋战国时期，老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气，进而产生万物。庄子继承和发扬老子的学说，提出“通天下一气”的思想。战国末期的荀（xún）况也指出气是构成万物的基本元素。元气说在春秋战国时期出现，在汉代逐渐成熟，经过唐、宋得到相当大的发展，明末清初达到高峰。由汉代的王充、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表，形成了“元气自然论”；由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论”。二元气说2．“元气说”的主要思想①气是充满整个宇宙客观存在的物质，是万物本原。王充在《论衡》中说：“天地，含气之自然也。”《论衡•谈天》，“天地合气，万物自生”《论衡•自然》。王充（27-约97）：东汉时期的唯物主义哲学家和进步思想家，创立了以气为基础的元气自然论。主要著作有《论衡》，共30卷，85篇，涉及力学、声学、光学、热学、电磁学等多方面的知识，是我国中古时期的一部百科全书。②气有聚散两态，太虚为气，气形转化张载（1020～1077，宋）：“太虚者，气之体…形聚为物，形溃反原”《正蒙•乾称》王夫之（1619～1692，明末清初)：“虚空者，气之量，气弥沦无崖而希微不形，则人见虚空而不见气。凡虚空者，气也。聚则显，显则人谓之有；散则隐，隐则人谓之无。”《张子正蒙注•太和》。③气分阴阳，永远处于运动变化之中④物质不灭思想王夫之《张子正蒙注•太和》：气“散而归于太虚，复其氤氲之本体，非消灭也。聚而为庶物之生，自氤氲之常性，非幻成也”“聚散变化，而气本体不为之损益。”；“车薪之火，一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木，水者仍归水，土者仍归土，特希微而人不见者。”；“一甑（zeng）之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归；若盖严密，则郁而不散。”3.元气说的局限、以太和场元气学说注重物质连续与不连续的相互统一，强调事物间的相互联系和相互转化。符合自然界的真实变化，与自然本性更接近。但元气说终究是一种思辩理论，没有实验、数学等科学方法的配合，长期停留在推测、玄想阶段，致使中国没有走上诞生近代科学的道路。中国古代的气概念因为在理论上要泛化而更多脱离了自然存在的一种物质形态的范畴，另一方面在抽象程度上又没能达到哲学的高度。在具体运用中气的内涵也是可以在抽象的元气与具体的空气间漂移。尽管也被中国古人用来解释自然现象，但在中国的文化中，气更多地成为了自然哲学层次的概念而不是物理学层次的概念。第二节物理学知识的积累一力学1.物理计量：①时间计量、②度量衡2.时间、空间、运动：①空间和时间②运动与静止③运动的相对性3.对力的认识：4.力学知识的应用一力学1.物理计量①时间计量a.干支纪法：春秋时鲁隐公三年（前722）二月己巳日至清宣统年（1911）。“干支”是“天干”和“地支”的合称。天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥。组成“六十干支”：甲子、乙丑、…癸酉、甲戊、乙亥…癸亥。共60个组合，也称“六十甲子”，周而复始，不断循环。b.十二时辰记时法：子时：23～1时，丑时：1～3时，…,亥时：21～23时。c.百刻时制（漏壶记时制）：采用日晷或漏壶将一昼夜分为十时，一时分为十刻。‘刻’为漏壶的基本记时单位，在竹或木制的箭上100个等分刻度，其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高度。1刻等于现在的14.4分钟。d.机械记时：东汉时期张衡117年发明浑天仪，用于测定天体位置，一天转一周。后经唐宋发展，成为世界上最早的天文钟。星晷月晷圭表日晷漏壶：漏壶有两种形式：泻水型和受水型。我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶，只有一把挈壶，出水口在壶底侧。由于挈壶里水位不同时出水速度不同，后来又发展出受水型。并逐渐由最初的两壶发展成多壶。右图为根据唐朝吕才《历象汇编历法典》99卷刻漏图制作的四级漏壶。浮漏：宋代沈括在多级漏壶的基础上发明了浮漏，每昼夜误差小于20秒。宋代燕肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法，精度提高到14.4秒；宋代赵友钦则将精度提高6秒。②度量衡：度---长度量---容量衡---重量《汉书•律历志》详细记载：长度单位：引、丈、尺、寸、分，十进制；容量单位：斛（hú)、斗、升、合、龠（yuè），十进制。重量单位：石、钧、斤、两、铢，非十进制。长度：《孔子家语》记载：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”即：从中指的指端到第一横纹叫一寸，拇指和中指一扎为一尺，两臂伸开长八尺，叫一寻。《孙子算经》：“度之所起，起与忽。蚕吐丝为忽。十忽为一丝，十丝为一毫，十毫为一厘，十厘为一分。”。《汉书·律历志》记载：“度本起黄钟之长。…九十分黄钟之长，一为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引”。容量：一手所盛为“溢”,二手合盛为“掬”,“掬四谓之豆”重量：古人将重量器具称之为‘衡’，衡的形式包括：等臂天平、不等臂天平、杆秤。权就是砝码或秤砣。公元211年，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上对度量衡进行了统一，制发了一大批度量衡标准器，意义重大。2.时间、空间和运动①时间与空间《尸子》“上下四方曰宇，往古今来曰宙”。②运动的相对性《吕氏春秋》：“刻舟求剑”故事；《隋书•天文志》：“乘船以涉水，水去船不徙也”，“仰游云以观，日月常动而云不移”。《抱朴子•塞难》：“见游云西行，而谓月之东驰”。《春秋纬•元命苞》（汉代）：“天左旋，地右动”。《春秋纬•考灵曜（yào）》“地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭牖（yǒu）而坐，舟行而人不觉”。比伽利略（1564-1642）相对性原理早一千多年。3对力的认识（1）力的概念※《墨径》：“力，刑之所以奋也”，这里刑即形，指物，奋即飞，动的意思。※王充《论衡•效力篇》：“人有知学，则有力矣。文吏以理事为力，而儒生以学问为力”，“举重拔坚，壮士之力也”，“故夫垦草殖谷，农夫之力也…”（东汉）。※西方，17世纪初‘弗兰西斯•培根’提出：“知识就是力量”。（3）杠杆原理《墨径》中对不等臂天平的论述：“衡，加重于其一旁，必捶，权、重相若也。相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下，标得权也。”（2）外力与内力王充《论衡》：“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举不能离地。”（4）浮力：曹冲称象等。（5）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄127-200）。（6）大气压力西汉时期已利用虹吸管---渴乌，东汉时已广泛用于灌溉，唐朝已有隔山取水的大型引水工程。《关尹子》：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则水不降。”唐代王冰《素问》：“虚管灌满，捻上悬之，水固不泻，…；空瓶小口，顿灌不入，为气不出而不能入也。”（7）惯性：春秋战国时期的《考工记》中描述：“马力既竭，轴犹能一取焉”4力学知识应用※尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓（duì舂米用具）、水排鼓风机（公元31年东汉南阳太守杜诗发明）、被中香炉、记里鼓车、水运浑象仪等。※古代建筑学上力学的应用：如隋代李春建造的赵周桥，是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥，距今已1300年；※公元1056年建造的辽代山西应县木塔，是世界上现存的最高的古代木构建筑，高67.31米，经受近一个世纪的风雪袭击，12次六级以上地震，至今安然屹立。※宋代建筑师喻皓曾在开封建“开宝寺塔”斜塔：“塔初成，望之不正，而势倾西北。人怪而问之。皓曰：‘京师地平无山，而多西北风，吹之不百年当正也。’”《归田录》。※明代的北京故宫群等等。被中香炉水排鼓风机（取自《王祯农书》）启明之光:一.中国古代的物理学萌芽中国古代科技——水碓二热学1.对热现象和热本质的认识①温度、湿度极其测量※“火候”：在烧制陶器和冶炼金属的过程中，通过对“火候”的观察，来定性的判断温度