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清朝物理学


清朝物理学 清朝物理学 清代处于封建社会晚期,在物理学方面,如光学研究及器具制作有一定的成就之外,传 统的内容几乎基本停顿。 同时, 明末清初来华的西方传教士则带来了一些西方近代物理学知 识。 第一节力学比重的测定 康熙初年,西方的一些物质比重常数传入中国,数值较我国历来沿用值准确,因而推动 了在我国的重新测定工作。梅瑴成主持测定了赤金、纹银、水银、红铜、白铜、黄铜、钢、 生铁、熟铁、高锡、六锡、倭铅、黑铅、白玉、金珀、白玛瑙、红玛瑙、砗磲、青石、白石、 红石、象牙、牛角、沉香、白檀、紫檀、花梨、楠木、黄杨、乌木、油、水等三十二种物质 的比重,并将测定结果记载在他主持编撰的《增删算法统宗》卷一中。我们若将所测各值根 据清代及现今的度量衡加以换算,则可知当时的测定值与今值相当接近。 乾隆年间还进行过各地泉水比重的测定。 当时由于北京玉泉的水最轻, 故以玉泉水为基 准, “曾制银斗较量玉泉之水,每斗重一两” ,然后用这一量器去测定其他地方的水的比重。 刘岳云在《格物中法》卷二“玉泉记”中记载了此事及各地的水重。 传入中国的西方力学知识比利时传教士南怀仁撰著的《新制灵台仪象志》 (1674) ,在第 二卷中,介绍了较多的力学知识,包括材料的强度、物质的比重、物体的重心与稳度,简单 机械如杠杆、滑轮、螺旋、斜面等的应用及其作用,等等。在第四卷中介绍了“垂线球仪” 即单摆的知识,包括单摆的等时性、摆动周期与振幅无关、周期平方与摆线长度成正比等, 以及作为用单摆计时的例子, 介绍了自由落体的下落距离与时间的平方成正比。 书中有些内 容引用了伽利略的著述①。
① 参阅严敦杰: 《伽利略的工作早期在中国的传布》 ,载《科学史集刊》第 7 期(1964) 。

第二节热学 明清两代,有关热学知识的发展并不多。南怀仁在所著《验气图说》 (1671)及《新制 灵台仪象志》中提到了某些热学方面的内容,如介绍了欧洲十七世纪早期有关空气温度计、 以及弦线扭转式吸湿性湿度计的原理、结构和应用等知识②。 ② 参阅王冰: 《南怀仁介绍的温度计和湿度计试析》 ,载《自然科学史研究》第 5 卷第 1 期(1986) 。第三节声学有关声学的研究及实验清代较之明代远为逊色,且记述不多。 郑光祖《一斑录》卷三“物理”篇记载了一些有关声学的认识。如空气振动成声及声可 以被反射: “空中融气有所震而成声。前有一墙,曲声为勒转,必成应声。若墙外有圈洞, 则愈甚。故山多之处,应声百出,其变也。 ”使用“顺风耳”传声或听声: “顺风耳用铜制, 或如喇叭而较大。人以口就之而喊,其声洪大可闻于隔山对江。若以耳就之,所闻亦较朗。 ” 他还写道, “人家墙壁以空甏横砌而成,使口尽向内,则室中所作之声尽收入甏,而贴邻不 闻” 。这里空甏起了隔声的作用。这与方以智在《物理小识》中的记述相同。另外,他还说 到“凡平地数十里外人马大众行声,可探之于地下。法以四五尺大竹通去其节,直埋入地, 留尺上出,以耳就之,其声轰轰然” 。这种方法与古代的“瓮听”“地听”一样,都是利用 、 固体传声和气腔共振的原理。 康熙帝对声学亦甚关注。 他曾探讨过声音的共振现象, 认为 “相声相应, 自然之至理也” ①。他还特别研究过测量声速的问题: “朕以算法较之,雷声不能出百里。其算法依黄钟准 尺寸,定一秒之垂线,或长或短或重或轻,皆有一定之加减。先试之铳炮之属,烟起即响, 其声益远益迟,得准比例而后算,雷炮之远近即得矣。朕每测量过百里,虽有电而声不至, 方知雷声之远近也。 ”①他的方法是利用单摆(即南怀仁在《新制灵台仪象志》中所介绍的 “垂线球仪” )测定时间,先测出从看到烟起至听到炮声的时间间隔,再比较从闪电到雷声 的时间间隔,从而推断出声源的距离。

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① 《康熙几暇格物编》上册,卷下“同声相应”条。 ① 《康熙几暇格物编》 ,上册,卷上“雷声不过百里”条。

第四节光学 传统的光学研究及记载 清代,卢兆漋、郑光祖等均有关于针孔成像和面镜成像方面的观察和记述②,基本上与 沈括的研究和认识类同。 郑光祖《一斑录》卷三写道: “舟上撑篙,篙入水如曲。渔人猎鱼鳖,照所见,不获也, 须求之于下乃获。碗中置一钱于底,遥望不克见,注水于碗,令极满,则钱影浮于水面。 ” 我国自古以来虽然有许多关于大气光学现象及其他的记载,其中一些现象与折射密切相关, 但总的说来,对折射现象的研究较少。至清代,人们对折射的认识仅止于此。 光学器具的制作 我国自制眼镜始于清初,孙云球即是苏州眼镜业的创始人。他先是制造眼镜,后来制成 “千里镜” (望远镜) ,还制造过“存目镜” (放大镜)“万花镜”“鸳镜”“半镜”“夕阳 、 、 、 、 镜”“多面镜”“幻容镜”“察微镜” 、 、 、 (显微镜)“放大镜”“夜明镜”等七十种光学仪器 、 、 和器具,后人誉之为“巧妙不可思议”①。他写成《镜史》 ,总结制镜经验,在当时“市场 依法制造,各处行之” ,为中国光学仪器发展史作出过重要贡献,可惜《镜史》已佚失。 黄履庄也研究制作过“千里镜” (望远镜)“临画镜”“显微镜” 、 、 等。值得注意的是制造“瑞光镜” ,其“制法大小不等,大者径五六尺,夜以一灯照之, 光射数里,其用甚巨。冬月人坐光中,遍体生温,如在太阳之下”②。这大概是属于探照灯 一类的装置。 光学著作 清代的光学著作,以郑复光的《镜镜詅痴》和邹伯奇的《格术补》为代表作。 郑复光继承中国古代传统的光学知识, 同时又吸收明末清初西方传入我国的近代光学知 识,加以研究并融会贯通,写成几何光学专著《镜镜詅痴》 。该书分四个部分:1.“明原” , 阐述光学基本概念、几何光学基本定律;2.“类镜” ,论述几种反射镜和折射镜的质料和性 能,着重介绍几种方形透镜的特性及光学现象;3.“释圆” ,论述圆形透镜的性质,包括凸、 凹透镜的成像规律,成像特点,透镜组的成像,及凸、凹透镜之间的量的关系;4.“述作” , 阐述十七种光学仪器和器具的制造和使用方法等。其中, “释圆”部分是全书的重点,是郑 复光用力最深、成就最大的部分,他建立了单个透镜的“顺三限”和“侧三限”以及透镜组 的“距显限”和“变显限”的理论,这是在当时闭关锁国时代,郑复光独自试验和研究建立 起来的独特的理论体系。 郑复光还在他的另一著作 《费隐与知录》 中, 讨论了有关针孔成像、 冰透镜取火、近视眼、远视眼及眼睛的调节等有关光学方面的一些问题。
② 卢兆漋: 《天香楼偶得》 ;郑光祖: 《一斑录》卷 3“物理” 。 ① 《吴县志》卷 75“列传艺术二” 。 ② 《虞初新志》卷 6“黄履庄小传” 。

邹伯奇对光学理论的研究成果主要集中在《格术补》一书中。该书深入讨论了透镜成像 原理和成像公式,他得到透镜物距、像( “影” )距和焦距( “日限” )之间的定量关系: “置 日限尺寸自乘为实,以物距镜减日限为法除之,得影加远之数”“或置日限尺寸为实,以物 ; 距镜乘之,物距镜减日限除之亦同”“若先有影距镜数,与物距镜相乘,与物距镜相并为法 ; 除之,得此镜之日限” 。我们如果以 u、v 和 f 分别表示物距、像距和焦距,上面三句话用 式子可分别表示为 fu fv ffuu fvvuv uf2 -= --=+; ; .这三个式子实际上就是透镜成像的高 斯公式 1 1 1u v f+ = .邹伯奇还讨论了透镜组的焦距、几种折射望远镜和反射望远镜(即伽 利略式、开普勒式、格雷高里式、 和卡塞格林式望远镜)以及放大镜、 显微镜的结构和原理,

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眼睛和视觉的光学原理等。邹伯奇还是我国照相术的先驱。他曾制成“摄影之器” (实为一 种取景器) ,并用来绘画景物①。之后在此基础上,研究制成了我国第一台照相机。 西方传入的光学知识 南怀仁所著《新制灵台仪象志》第四卷,较多涉及光学知识,主要是关于光的折射和色 散。 该书是最早涉及西方关于折射现象的研究和知识的中文著作, 所述基本上是自托勒密之 后至十七世纪初以前西方对折射现象的认识。书中所列光在空气—水,水—空气,空气—玻 璃,玻璃—空气,水—玻璃及玻璃—水界面上发生折射时的折射角度表(南怀仁称其为“气 水差”“水气差”“气玻璃差”“玻璃气差”“水玻璃差”“玻璃水差” 、 、 、 、 、 )的数值有很大的 误差,有些还是错误的。他也没有及时地把折射定律介绍到我国①。该书对于棱镜色散和虹 霓生成的解释, 出自牛顿以前西方对色散的认识, 即认为色散是由于透明体的厚度不同而引 起的,当然,这种解释是完全错误的②。
① 《邹征君遗书·存稿·摄影之器记》 。 ① 参阅王冰: 《南怀仁 〈新制灵台仪象志〉 所述之折射》 载 , 《自然科学史研究》 4 卷第 2 期 第 (1985) 。 ② 参阅王冰: 《明清时期西方近代光学的传入》 ,载《自然科学史研究》第 2 卷第 4 期(1983) 。

第五节电和磁 指南针和罗盘广泛应用于航海 在清代,指南针更加广泛普遍地被应用于航海。康熙年间,闽浙总督满保奉命巡海,加 强台湾等地防卫,曾进呈《西南洋各番针路方向图》 。徐葆光出使琉球,他撰写的《中山传 信录》卷一“针路”条,即有我国出使海船使用旱针的最早记载。乾隆年间,周煌出使琉球, 撰成《琉球国志略》 ,书中首卷绘有旱罗经图及针路图。 磁屏蔽现象的发现和对磁偏角的观测 刘献廷《广阳杂记》有一段记载: “磁石吸铁,隔碍潜通。或问余曰: ‘磁石吸铁,何物 可以隔之?’犹子阿孺曰: ‘惟铁可以隔耳。 ’其人去复来,曰: ‘试之果然。 ’余曰: ‘此何 必试,自然之理也。”①显然当时已了解磁屏蔽现象,但不知其原理,只能用“自然之理” ’ 来笼统地加以解释。康熙帝曾对磁偏角进行过观测: “定南针所指,必微有偏向,不能确指 正南,且其偏向各处不同,而其偏之多少亦不一定。如京师二十年前测得偏三度,至今偏二 度半。各省或偏西或偏东,皆不一。惟盛京地方得正南,今不知改易否也。宋沈括《梦溪笔 谈》谓,磁石磨针,必微偏东向。而元周达观《真腊风土记》谓,定南多丁未针。 《大观本 草注》谓,丙丁皆火位,庚辛受其制,物理相感耳。而推求真南之道,昔人未尝言之。朕曾 测量日影,见日至正南影必下垂,以此定是正南真向也。 ”②清代人们已通过观测知道磁偏 角因地因时而异。
① 《广阳杂记》卷 1。 ② 《康熙几暇格物编》上册,卷上“定南针”条。

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