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1、Learning materials?物 理 演 义Learning materials?第一回 开天辟地 原始人类不断进化钻木取火 简单物理伴随前行远古人类对石器及弓箭的使用。埃及金字塔的建立，可谓鬼斧神工。 墨经讲述了力学、光学等原理。阿基米德说：“给我一个安放杠杆的支点，我就能将地球挪动。”距今约 2 5 0 至 4 0 0 万年，地球上出现了最早的猿人。人类祖先首先进行了手和脚的分工，用自由之手制造工具，提高了劳动效率。人类最早制造的工具就是石器。石器制造宣告了人类劳动的开始。猿人制造的典型石器是用“以石击石”的办法敲打而成的石斧和石刀，它们被用来袭击野兽、挖掘植物和当作万能的工具来使
2、用。在坦桑尼亚奥杜谷发现的距今 2 0 0 多万年前的砍砸器，在我国云南发现的距今 1 7 0 多万年的刮削器，都属于这个时期。这个时期属于旧石器时代早期。而到了晚期，即距今四五万年以前，人类通过对劳动手段和劳动工具的客观规律的思考，开始了科学劳动的开端。人类从打制石器产生技术知识开始，就知道了“其然”。再由“其然”寻求其“所以然”，从而发展到主动创造科学知识的地步。在此基础上，人体形态已进化到不再与现代人存在重大差别的程度，称“新人”或“智人”。他们制造石器更加精细，并学会给石斧和石刀装上木柄或骨柄。这就意味着工具已走向复合化。随着石器的发展，出现了较为复杂的工具弓箭，从而产生了狩猎这个最早
3、的生产部门。发明弓箭，需要长期经验的积累和比较发达的智力。在我国山西朔县旧石器时代遗址中发现的石镞，说明至少在 2 . 8 万年前人类已经使用了弓箭。由于工具的不断改进，人们可以捕获到更多的野兽飞禽，一时吃不完，把捕捉的野兽圈养起来，成为家畜，这些活动促使了畜牧业的诞生。这个时期，母系社会开始瓦解，建立了父权家族。从此，人类进入了新石器时代。在这个时代，人们学会了在石器上钻孔，创造了石器磨制工艺，还为制造石器而专门开采和选择石料，使石器的功用更高，类型更多，用途也趋于专一。这时的石器有石斧、石刀、石、石纺轮、石铲、石镰、石臼、石杵和石犁，它们被广泛用于狩猎、捕鱼。在整个石器时代，正是靠石器工具
4、的不断改进，才使人类更有效地采集植物，猎取动物，促使了原始社会生产力的迅速发展。上面介绍了在旧石器时代和新石器时代，人类的祖先凭自己的智慧和经验制造了石斧、石刀和弓箭，我们可以用物理原理说明其优越性。压强和压力成正比，和受力面积成反比。石斧和石刀的锋刃很薄，就是为了减少受力面积，增大压强，使它们在不大的压力下就能够进入物体里去。现在我们才知道它们的广泛运用。日常生活中的钉子、针、锥子等的尖端要做得很小，就是来增大压强。而大型拖拉机和坦克自身很重，又经常在潮湿、松软的土地上行驶，为了防止压坏田地和陷进地里，需要大大增加它们跟地面的接触面积。人们给大型拖拉机和坦克安装了履带，就是为了增大受力面积，
5、减少压Learning materials?强。祖先们在无意识中已运用了物理原理，增强了生存能力。我们应该珍惜祖先给我们留下的财富，努力学好物理。弓箭的使用既用到了物理上的压强，又用到了牛顿第三定律。当箭给弓弦一个作用力时，弓弦也给箭一个反作用力，这样弓弦才能把箭射出。这种微妙的思想也被祖先们挖掘出来，足见祖先思想的进步。新石器时代另一发明是钻孔技术。这是古代技术发展的第二个标志。人类最初利用的是天然野火。起初，人类惧怕火，不知火为何物，进而对火好奇而接近火。有了火，人们可以用它来防止野兽的侵袭，又能用它围攻猎取野兽；有了火，人们还能用火取暖、照明，从而扩大了人类活动的空间。为了用火，他们不得
6、不把从森林或草原野火中取得的野火，视为神圣的东西悉心保存。我国距今 1 7 0 万年前的云南元谋人和距今 8 0 万年前的陕西蓝田人， 都留下了用火的遗迹。距今 4 0 至 5 0 万年的北京人，在他们居住过的洞穴里留下了厚达 6 米的灰烬，说明他们已掌握保存火种的方法和控制燃烧的能力。有了火，人类才能从“茹毛饮血”进步到吃熟食阶段，促进了人体特别是大脑的发育。但是，野火保存必然受到时间和空间的限制。后来，人类终于掌握了人工取火技术“钻木取火”或“击石取火”的方法。当时，人们利用弓弦的弹力把弓弦环绕在钻杆上，把往复运动变为回转运动，从而制成钻具。人们利用钻具的摩擦，成功地制造了火。钻木取火是人
7、类史上第一次伟大的发明。在我国古籍中，曾有“木与木相摩则燃”和“燧人氏”教民“钻燧取火，以化腥臊”的记载和传说。人工取火的实现，标志着人类已经“在实践上发现机械运动可以转化为热”，“第一次使人类支配了一种自然力，从而最终把人同动物分开”。有了随时可以制造火的技术，才能使火进入人类生产和生活的各个领域。在生产上，人们首先发明用火烧制陶器。开始的时候，人们把食物放在木制容器内，再放在火上加热使它变为熟食。但木器是可燃物质，放到火上后会一同燃烧，这样解决不了问题。后来人们想到一个办法，在木器外面附加一层粘土，加热时不易损坏木器。加热后，粘工硬化脱落而成器皿，从而使人们想到用火直接烧制陶器。这是人类用
8、火的一个重大意义。从原始人的遗物中可以证实。古代文物陈列馆中的陶器和陶俑显示了火在古代人类生活中的重要地位。制陶技术的出现，标志着人类对材料的加工第一次改变了材料的性质，从而创造了一种人工材料，并在加工过程中第一次使用了自然能源。人类最早使用的金属是天然铜。在采集天然铜的过程中，又发现了常与天然铜伴生的孔雀石矿。烧制陶器的长期实践，使人们发现，用木炭代替木材作燃料可以获得更高温度。如果把木炭和孔雀石一起放在陶器中燃烧，即可炼出铜来。随后，人们又发现了青铜冶炼技术。由于青铜（铜、锡、铅的合金）比纯铜熔点低，硬度更高，铸造性能和机械性能都很好，所以比纯铜得到广泛应用。目前考察己发现的最早青铜器，
9、出现于公元前 3 5 0 0 年的埃及和美索不达米亚地区。公元前 2 0 0 0多年在印度和中国也已出现了青铜器。公元前 1 4 0 01 1 0 0 年，青铜器在我国已经十分普遍。Learning materials?由于铜矿匮乏，青铜产量有限，主要用于制作小工具、武器和祭器以及宫殿中用具和坟墓中的陪葬品。殷商中期，用青铜器铸成农具，已开始成为基本的生产工具。此时，青铜还不能取代石器被广泛使用，人类进入了一个所谓“金石并用时期”。人类在用铜的同时，还学会了用铁。最先使用的铁，同样也是取自大自然中的天然铁。在埃及金字塔中发现的公元前 2 9 0 0 年的铁器， 我国出土的商代中期的铁刃青铜钺的
10、铁制刃口，都是用陨铁锻成的。随着青铜冶炼的发展，约公元前 2 0 0 0 年前，居于亚美尼亚山区的基滋温达人又掌握了炼铁技术。当时的冶炉温度不高，尚不能去掉炉渣，铁也不能熔化。所以只能把富铁矿石烧红， 在较低温度下进行固体还原， 得到混杂炉渣的海绵状 “块炼铁” 。后来人们学会通过锤打方法去掉炉渣，经反复加热和锤打锻成铁器，并使表面渗碳硬化。这样，铁器才进入了实用时期。在西亚，公元前 1 2 世纪亚述人已开始用铁剑作战、铁锄耕地；在南欧，荷马史诗关于公元前 1 1 至 9 世纪古希腊的传说中越来越多地提到铁器； 在南亚，印度自公元前 1 0 世纪开始炼铁；在东亚，中国在西周时期也留下了许多用铁
11、的记载。由于铁矿比铜矿蕴藏丰富，世界各地都能找到，而铁器比铜器又更坚固、锋利、耐用，所以当人类一旦掌握炼铁技术后，铁器便迅速普及并取代了石器，使人类进入了铁器时代。恩格斯在谈到使用铁器的重大意义时曾指出：铁器“把我们引向野蛮时代高级阶段，一切文化民族都在这个时期经历了自己的英雄时代：铁剑时代，但同时也是铁犁和铁斧的时代。铁已在为人类服务，它是历史上起过革命作用的各种原料中最后的和最重要的一种原料。铁使更大面积的农田被耕作，开垦广阔的森林地区，已成为一种可能。它给手工业工人提供了一种极其坚固和锐利，非石头或当时所知道的其他金属所能抵挡的工具”。铁器的使用，在人类历史上引起了生产工具的革命，从而大
12、大推动了农业和手工业的发展。随着生产和技术的进步，人类积累了越来越多的知识。制造石器，要求人类摸索岩石的性质和对石头进行加工的方法。取火和用火炼制铜、铁，要求人类掌握发热的方法、燃烧的条件和加热知识。制作弓箭，要求人们综合运用木、竹、骨、角、筋腱、皮革等多种材料的机械性质。在这些知识中，事实上已经包含力学、物理学的萌芽。在石器向铜器和铁器转换的年代，生产力有了前所未有的发展。铁器文明不只是技术的发展，还推动了科学的诞生。且说公元 3 0 0 0 年南北埃及统一，形成纵贯尼罗河上下游的奴隶制帝国。在这里，像在美索不达米亚地区一样，古代文明也是以大河两岸的农业生产为基础而发展起来的。尼罗河水每年一
13、度有规律的泛滥，在沿河平原留下一片沃土。古埃及人自古就靠耕种这片土地生活和繁衍，他们很早就懂得水利是农业的命脉。相传埃及第一王朝的美尼斯王，就在孟裴斯城外修建了大坝和水库，并Learning materials?把整个尼罗河水利系统置于王朝管制之下。以后古埃及的历代王朝，也都重视兴修水利。青铜器的大量使用，在尼罗河流域略晚于两河流域，约在公元前 1 6 世纪以后。但留下的壁画和浮雕说明，当时埃及人已掌握用脚踏风箱为炼铜鼓风的技术，从而提高了冶炼的温度。古埃及的手工制造技术发展得很早。第一王朝时期已能生产麻布；已出土的建造于公元前 2 8 0 0 年的巨型木船，长 4 7 米。说明当时埃及的纺织
14、与造船技术已达相当水平。公元前 2 7 世纪至公元前 1 6 世纪，历代王朝法老为自己营造的宏伟坟墓金字塔，乃是世界奇迹。金字塔是用石料、铜、木材和植物纤维等材料建成的。最大的金字塔高1 4 6 . 5 米，底边长 2 3 2 米，用 2 3 0 万块平均重约 2 . 5 吨的巨石砌成。当时他们已掌握了防腐药物和香料配制技术，法老们死后，被制作成木乃伊存放在金字塔里，塔前配有狮身人面像护卫。古埃及人早在公元前 4 0 0 0年就把尼罗河汛期开始的一天定为一年之始，称为先阳升日。这是因为，他们发现，每当夏季太阳快要升起时能在地平线上看到天狼星的那一天，尼罗河的汛期就已到来。两个先阳升日相隔正好
15、3 6 5 天，这是最早的太阳历。金字塔修建的严格方位，一些庙宇的巧妙设计（如使一年里白昼最长的那天阳光恰能直射进庙宇照亮祭坛上的神位），都说明古埃及人有丰富的科技知识。这些技术中包含着物理学、化学、天文学、医学等方面的知识。封建社会以前，古希腊的科学与文化在欧洲占领先地位。公元前 8 0 0 6 0 0 年， 巴尔干半岛南端地中海沿岸地区首先推广了冶铁技术，从而使生产能力显著提高，进入了奴隶社会，这就是古希腊。希腊进入奴隶社会的时间，比巴比伦、埃及、印度和中国都晚。希腊半岛的地理位置，使它与地中海沿岸以及东方各国建立了频繁的贸易往来，商业发展到了较高水平。随着商业交往，希腊人广泛吸收了巴比伦
16、、埃及以及东方的文化，使希腊文明在充分继承各大河流域文明的基础上继续发展。古希腊时期，没有不可抗拒的王朝统治，也没有僧侣神权的淫威，加工手工业者和商人重视现实、自然和科学，追求天理，反对天命，促使了自然科学的产生和发展。希腊独特的政治经济与生产力的发展使人们关心的是自然，他们研究思考的是“世界”的本质及其来源。在古希腊城邦涌现出的一批自然哲学家中，最早的著名学者是被西方史学家称为“科学之父”的泰勒斯。他从小受埃及科学文化的熏陶，在自然科学上做出了一定的贡献。在天文学方面，他预测公元前 5 8 5 年 5 月 2 8 日将出现日全食。并得到事实的验证。他当时计算出的太阳直径略小于现在实际观测计算
17、的准确值。埃及人运用几何学已有几百年的历史，但从未提出过一个定理。泰勒斯提出了定理，并用几何学上影子与实物长度成正比关系的原理测量计算了埃及金字塔的高度。他还确定构成宇宙的根本物质是水，水沉淀则成泥，干了则成土，稀薄Learning materials?则化为气，气加热则变成火，任何物质都源于水。这就是宇宙成因一元论学说。这一系列思想使他建立了米利都学派，成为自然科学首创者之一。同一时期，又出现了另一位为后世称颂的古希腊学者：毕达哥拉斯。他提出了数学是宇宙万物之本学说，并以提出毕达哥拉斯定理（即勾股定理）而闻名。他还发现了无理数，引起了第一次“数学危机”。毕达哥拉斯还创立了毕达哥拉斯学说，他对
18、西方自然科学的发展产生过极为深远的影响，直到文艺复兴时还未消失。天文学方面，毕达哥拉斯发现了启明星和长庚星是同一颗星。他还指出了月球的光是从太阳那里取来的。他认为地球是位于宇宙中心的一个球体，这种“地心说”一直延续了 1 0 0 0 多年。毕达哥拉斯学说的思想体系，仍然以毕达哥拉斯的数学观念为核心。这个学派认为，数为宇宙提供了一个概念模型。这个学派还认为，宇宙按照贵贱和完善程度，可分为三个部分：即地球和月层下部分，以恒星为界的交界部分和诸神的居所。地球、天体和整个宇宙是一个圆球，宇宙中各种物质都作均匀的圆周运动，而天体的运动越慢，他们的地位就越加高贵和神圣。公元前 5 世纪，毕达哥拉斯联盟被奴
19、隶主解散，它被分为两派：一些人组成宗教派，继续遵循毕达哥拉斯的神秘宗教教义和戒律，另一些人则形成了科学派，转向了科学研究。除毕达哥拉斯之外，当时有影响的科学权威还有留基伯。留基伯，古希腊原子论的奠基人之一。生于希腊利都。留基伯和他的继承人德谟克利特，把自然观推进了一步，从生物界扩大到物理界，提出了原子说。他们认为，世间万物都是由不可分割的物质即原子组成。宇宙的原子数是无穷无尽的，他们的大小、形状、重量等都不相同，并且不能毁灭，也不能创造出来。他们把宇宙的形成解释为：宇宙的原子在虚空中永远运动着，由于旋涡式的运动，把大的一些原子赶到旋涡中心而形成地球，而较小的水、气、火等原子被赶到空间，产生了环
20、绕地球的旋涡运动。地球以外的大原子聚在一起形成湿块，靠他们通过旋涡式的运动变得干燥而燃烧起来形成天体。原子论者认为，生命是从一种原始的粘土中发展起来的，一切生命都是如此。人是宇宙的影子，因为人含有各式各样的原子。人的呼吸不断地把原子从人体内排出去，又不断地从空气中吸入人体，因此，呼吸停止了，生命也就结束了。原子论的宇宙观完全是机械的，认为世界万物都是预先决定的。原子论是现代科学的基石，早期的原子论同现代的原子论有着本质的区别，它仅仅是一种推测，是泰勒斯学派解释世界组成思想的发现，它不能成为一种科学的理论，只是一种猜想。亚里士多德是希腊学者中对后世影响最大的人物，他是唯心论代表人物柏拉图的弟子，
21、他集雅典学派的大成。西方史书上认为，他是第一位研究自然的学者，曾是最博学的人物。特别是他的著作工具论、形而上学、物理学、伦理学、政治学、诗学等，对后世哲学和科学的发展影响颇深。Learning materials?公元前 3 3 5 年，他曾在雅典兴办一所叫做“吕克昂”的学校，创造了自己的学派，被称为逍遥派。亚里士多德把科学分为三类：一、理论的科学；二、实践的科学；三、创造的科学，即诗学。同时，他认为分析学或逻辑学是一切科学的工具。亚里士多德是古代伟大的思想家。他不仅是形式逻辑的创始人，而且研究了辩证思想的最基本形式，成为第一个专门而又系统地研究思维及其规律的人。但他创建的思想动摇于唯物主义和
22、唯心主义之间。亚里士多德在自然科学的发展中作出很大贡献，对天文学、物理学、生物学、医学等方面都有深入研究。在物理学方面，亚里士多德认为，各物体只有在一个不断作用着的推动者直接接触下，才能保持运动，否则物体就会停上运动。这种推动者或者在物体内部，如生物；或者在物体外面，如物体受到外力推动或拉引。均匀的物体，只能靠外来的推动而运动，因此，任何运动，都是通过接触而产生的。空气流到石头后面，以维持石头的运动。因此，真空也是不能存在的，因为空间必须装满物质，这样才能通过直接接触传递物理作用。因此亚里士多德反对原子论的“世界是由真空和原子组成”的观点。他认为，空间必须是一个物质的连续体。亚里士多德有积极的
23、一面，又有错误的一面。他同意地球是球形的说法，并用日蚀、月蚀来论证。对后世影响最大的是他的天文学说，他极为主张地球中心说（简称地心说），反对太阳中心说（简称日心说）。公元 2 世纪，托勒密权衡地心说与日心说两种理论的优劣，选择了他的地心说这个错误理论，并进行了一生的研究论证，给天文学带来混乱。由于教会的利用和他的论证的精密，这个错误理论在欧洲史上流传了千年之久，并一直占统治地位。到 1 9 世纪，由于恒星视差的发现，才彻底推翻了亚里士多德的理论。亚里士多德还主张，构成世界的基本物质为土、水、空气和火四种元素，它们是永远不变的。从他的这一思想产生了阿拉伯和中世纪欧洲的炼金术。炼金术的理论根据就是
24、世界物质是土、水、空气和火四种元素，其他物质是可以创造和转化的，因此可以从价钱便宜的铅炼出昂贵的金来。亚里士多德认为这四种元素也是可以转化的。冷、热、干、湿是这四种元素之间的属性，这四个属性的不同组合表明元素的改变。例如干冷的土加湿则成水，水加热则成气，再使之变干则成火。土、水、气、火是由重到轻排列，比较重的土和水下沉则成地球，比较轻的气和火上升而成宇宙，地球是宇宙中心。他不承认有真空环境，认为物体下落都有阻力，下落时物体受到的阻力F R V （R 是阻力系数，V 是下落速度），因此重者速度快，先落地；轻者速度慢，后落地。亚里士多德的这一学说一直被看作真理，在他以后的 1 0 0 0 多年间，
25、没有人敢向他的理论挑战。直到 1 5 9 0 年，伽俐略才推翻了这一力学理论。亚里士多德在科学史上，标志着一个转折点，他是最后一个提出整个世界体系的人。古希腊还有一位声名显赫的科学家，他就是阿基米德。Learning materials?阿基米德：古希腊著名学者、数学家、物理学家、发明家和军事工程师。生于叙拉古斯的一个数学家和天文学家的贵族家庭。阿基米德在科学的许多方面都有卓越的贡献。在力学方面的成就尤为突出，是公认的古代最伟大的力学家。著名的浮力定律就是他发现的。浮力定律指出：“物体在液体中所受到的浮力，等于地所排开的该液体的重量。”浮力定理是他洗澡时发现的。据说，有一回，国王希罗找了一个珠
26、宝商，给了他一些黄金，要他做一顶精美的王冠。不久，王冠做成了，它跟原来给的黄金一样重，但国王疑心王冠不是纯金的。于是，国王把阿基米德请来，让他鉴定王冠是否为纯金的。阿基米德想了很长时间，没能找出方法。一天，他到浴室洗澡，浴缸里放满了水，当他一跨入浴缸时，水就往外溢，此时，他顿生灵感，澡也没洗，找到了解决王冠问题的方法。由此，他发现了浮力定律。阿基米德还发现了杠杆原理。杠杆的平衡条件是：动力动力臂阻力阻力臂。阿基米德发现杠杆原理时，竟讲了一句出格的大话：“给我一个安放杠杆的支点，我就能将地球挪动。”好家伙，他能把整个星球随意安放。实际上这是不可能的。地球的质量是他拉力的多少倍？如果有可能，他要想
27、挪动地球，杠杆的动力臂放在十万八千里都不行。阿基米德利用杠杆原理，巧妙地利用和发明了滑轮、螺旋器。他是一位重视实验的发明家，曾创造了许多仪器和机械，特别是在军事上发明甚多。以阿基米德的名字命名的阿基米德螺线，在现代机械中应用极为广泛。凸轮的轮廓线采用阿基米德螺线，可以把匀速圆周运动转化为匀速直线运动。阿基米德还是技术专家。当叙拉古斯城被罗马王马塞拉斯军队的兵船包围的时候，是阿基米德发明了回转起重机，把城外罗马兵船吊起来，摔得粉碎；或是越过城墙吊到城里，让本国士兵杀死兵船上的敌寇。后来，罗马兵完全放弃了攻城，采用死困的办法，阿基米德无计可施又去研究他的数学去了。当罗马兵冲进他的住室时，他还在潜心
28、研究几何与天文，惊醒的阿基米德喊着：“别弄坏我的图画，给我走开！”罗马兵盛怒之下，结束了这位伟大科学家的生命。在天文学方面，阿基米德曾创造一具行星仪，包括有太阳、月亮、地球和五大行星的模型，能够极为逼真地表现天体表面运动的情况，甚至还可以看出日食和月食。他还发明了天文学测量用的十字测角器，并制成了一架测算太阳对向地球角度的仪器。在几何学方面，阿基米德创立了用正多边形的周长和通过其中心的对角线的比例求圆周率的新方法，并且证明了把这个正多边形画出来使它环绕一个已知的圆周，就可以求得圆周率的任何精确值。他确定的圆周率在和之间，已精确到百分位。他还解决了3171317许多数学难题，在立体几何的表面积和
29、体积计算中也做出了贡献。Learning materials?阿基米德的著作很多，其中主要有论抛物线问题、球体和柱体、论螺线、论浮力、致埃拉斯托芬关于某些机械原理的书信等等。科学史上称阿基米德“站在整个希腊、罗马古代科学家的最高峰而为亚历山大里亚时期增添了光彩”，“是理论天才与实践天才集于一人的理论化身，与近代的伟大人物相匹比，在很多领域都有巨大的独创和真正的发现”。再说东方文明古国中国，在古代物理史上的成就。约公元前 2 1 世纪，从夏代开始，中国也进入了奴隶社会。公元前 1 7 世纪初，商汤推翻夏桀，奴隶制在商代获得进一步发展，公元前 1 1 世纪初，周武王灭商建立了周王朝，奴隶制到了繁荣
30、时期。虽然中国进入奴隶制时间略晚于巴比伦和埃及，但夏、商、周的科学文化萌芽和积累，却为中国在春秋战国时期，率先在世界向封建制过渡准备了条件，并为秦汉以后中国科学技术遥遥领先于世界的发展打下了根基。中国从原始社会末期，便在烧制陶器的基础上产生了青铜器冶炼技术。在龙山文化和齐家文化遗址，都出土了这一时期的小件青铜器。奴隶制建立以后，青铜炼制获得了大规模的发展。河南安阳面积逾 1 万平方米的般墟铸铜作坊遗址，说明商周时期的青铜器制造规模已十分可观。其中出土的含铜量达 9 7 的铜块，还有铅锭，说明当时青铜冶炼方法已有改进从过去直接用铜、锡、铅的矿石冶炼青铜，进步到了首先分别炼出铜、锡、铅，然后再按一
31、定比例混合炼出青铜阶段。商代晚期的司母戊鼎，重 8 7 5 公斤，说明当时青铜铸造技术已发展到相当成熟的程度。当时能铸造出形状复杂的大型器具，是由于已能熟练地应用分铸法和复合法的技术。世界上最早的生铁冶炼技术，出现在我国的春秋时代。在江苏六合程桥吴墓出土的一件铁块，即属于春秋末期的产物，经金相鉴定为白口铁铸件，这是迄今为止发现的世界上最早的生铁实物。到战国时期晚期，铁器已被广泛使用，冶铁已成为手工业中最重要的部门之一。自汉武帝起，在全国各处设铁官，出现许多规模较大的冶铁场。到东汉，已有高五六米，容积三四十立方米的大型冶铁高炉。在欧洲，虽然罗马人于公元初已能偶尔得到生铁，但直到公元 1 4 世纪
32、才使用生铸铁，比中国落后近 2 0 0 0 年。当时中国冶铁技术在世界冶金史上处于绝对领先地位，并为整个封建时代的技术发展开辟了道路。我们应为祖先的成绩感到自豪。中国战国早期又有了生铁柔化技术的发明。这是一种利用高温退火热处理的办法，减少铸件脆性而提高其韧性，从而得到高强度可锻铸铁的技术。在长沙、大冶两地出土的战国中、晚期的铁铲、铁锤、铁斧、铁锄，皆为经生铁柔化的可锻铸铁。中国这一发明，比欧美要早 2 0 0 0 多年。在铁的基础上，中国还最早发明了炼钢技术。1 9 7 6 年在长沙出土的一口钢剑系春秋末期产物。它由含碳量 0 . 5 0 . 6 的中碳钢制成，说明此时中国人已掌握炼钢技术。与
33、炼钢工艺同时还发展了淬火技术。炼钢渗碳时，多经淬火处理提高了硬度。用动物脂肪和尿淬火的“宿铁刀”能斩铠甲 3 0 扎，说明淬火技术已达到相当水平。这样，大约到汉末，中国古代的冶铁、铸锻、炼钢和淬火技术已经形成Learning materials?一个比较完整的体系，各种工艺方法也已大致齐备，从而奠定了整个封建时代最基本的材料和加工技术基础。春秋时期，我国出了一个著名的科学家和建筑工匠鲁班。他的发明以木工工具为最多。木工工具如刨、锯、墨斗和曲尺等都是鲁班发明的。特别是攻城的云梯是他的重要创造。这对军事有着重要作用。民间广泛流传他发明锯的故事。一次，鲁班带领徒弟上山伐树时，草叶划破了手臂，他受到启
34、发，按照草叶边缘的形状制成了竹锯，后又制成了铁锯，一直使用至今。我国春秋时期，还出了一个思想家、政治家、科学家，即墨家学派创始人，墨翟。由于他不满于儒术所提倡的繁琐的“礼”，自立新说，广招弟子，成为儒家主要反对派。他意识到劳动是人类生活的基础，提出强调重视生产的主张。在政治上，他提倡“必须使饥者得食，寒者得衣，劳者得息，乱则得治”的观点。墨翟又称墨子，他的教育思想是“艰苦实践，服从纪律”，提出“兴天下之利，除天下之害”的教育目的。墨子学说对当时思想界影响颇大，与儒家并称“显学”，并且形成了墨学家派。墨家学派所著的墨经，记载了我国古代在物理学上的卓越成就。在力学方面，主要记载了杠杆和滑轮。讨论了
35、重量和距离对杠杆平衡的影响，但没有总结出定理。墨经还提到力矩的概念，他们把杠杆支点的一边叫做“本”，另一边叫做“标”。提出力臂长，重量重的一端下垂；力臂短，重量轻的一边则往上翘。墨家比公元前 3 世纪的阿基米德更早地懂得力的平衡关系。墨家又做了细致的不等臂秤的实验，别出心裁地做了实验：头发丝引重。用一根头发丝代替挂秤砣的绳子，并用手拉头发丝代替秤砣。他们发现：如果力臂较长，重臂较短，达到头发丝的最大抗拉力力臂物品的重量重臂，那么头发丝就不会断掉；相反，头发丝就会断掉。显然，这是根据杠杆原理。我们不妨计算一下：头发丝的最大抗拉力为5 0 克，重臂为 1 厘米，若在重臂下悬挂 5 公斤的物体，那么
36、力臂就不能小于1 米，若小于 1 米，头发丝就会断掉。后来赵国名家学者公孙龙，又在墨家这个实验基础上提出了更加出奇的设想：往下拽动力臂端下的头发丝，能举起重臂端下悬挂的一头大象。在当时引起了很大反响。这个论题按杠杆原理是对的，但实际上我们能否做到，各位是能想得通的。这就是历史上的“发引千钧”的故事。墨经对机械运动提出了正确的定义，即运动就是物体的变化，并且讨论了平动、转动等不同形式的机械运动，对浮力原理也有详细的阐述。在光学方面， 墨经中记叙尤为丰富，是世界上最早的几何光学著作，其中记载了小孔成像以及平面镜、凹面镜和凸面镜成像的详细观察和研究，提出了一些经验规则，并且提出了光的直线前进的观点。
37、公元前 4 世纪，墨家做了世界上最早的针孔成像实验，并且给予了正确的分析和解释。他认为小孔成倒像，是因为在光线交叉的地方有一点，所给出的像的大小，与这点的位置有很大关系。光线径直向前，疾速似箭，远及他处的特性，Learning materials?不仅生动、形象，而且相当准确。人体所在位置变化，在屏上所成像也变化。光线通过小孔，人体位置由远而近，暗室内屏上的倒像由小变大。公元前 4 世纪的墨家在这里不仅首次十分明确地提出了光的直线传播的概念，而且对小孔成像也同时作了成功的和比较细致的阐述。墨家利用光的直线传播这一性质，讨论了光源、物体、投影三者之间的关系。一般认为，运动着的物体，它的投影随着物
38、体一起移动。墨家反对这种看法：影是不动的，若影移，那是由于光源或物体的运动，使原影不断消逝，新影不断生成之缘故。墨家通过观察，深入细致地研究了光的性质，正确解释了影动和影不动的原因。从而说明：物体移动时，前后各瞬间的影子连续不断更新着，并且相应地变动着位置，看起来就觉得投影是随物体移动一样。墨家在这里已经用了“瞬时”的概念来分析物和影子的变化，这种观点是极可贵的。墨家对本影和半影也作了正确的解释。一物有两种投影，是由于他同时受到两个光源重复照射的缘故。一种投影（本影），只受到一个光源的照射。在这里墨家不仅概括出光源直接影响物体投影的状况，而且强调了光源与投影的联系。与此同时，墨家还根据物和光源
39、相对位置的变化，以及物与光源本身大小的不同来定影的大小及变化。他们用木杆成影说明这一点。杆影的长短、粗细，是由木杆的放置相对光源有斜正、远近不同所致。木杆斜放，杆影就短些，粗些；木杆与光线正交，杆影就长些细些。若光源形体小于木杆，则杆影比木杆大；光源形体大于木杆时，杆影并非一定比木杆小，杆影的大小还随着木杆距离光源的远近而起变化。墨家还描述了一种反射现象：人影投在迎向太阳的一面，是因为日光经过镜子的反射而转变了方向。人站在日与镜之间，日光经过镜子反射到人体上；背向太阳的一面，人的影子就投在日与人之间。我国对凹面镜聚焦特性的认识相当早，墨翟和他的学生对凹面镜所作的深入考察已有明确记载。载文中说：
40、物体放在凹面镜的球心以外，得到的是比物体小而倒立的像；当物体放在焦点与镜面之间，得到的是比物体大而正立的像。后期墨家又通过反复试验，进一步认识了凹面镜的物像关系。第一种是物体放在焦点以内，离焦点近些，则产生的像大些；物体离焦点远些，则产生的像也小些。在这种情况下，像必定都是正立的。另一种是物体放在球心以外，物体离球心近些，产生的像也大些；物体离球心远些，产生的像也要小些。在这种情况下，像都是倒立的。墨家对凸面镜也进行了研究。他指出，凸面镜成像只有一种，物体总比像大。物体离镜近些，则像也大些；物体离镜远些，像也要小些。这两种情况下，像都是正的。物体过远，像就模糊不清了。墨家对于当时的礼乐制度是反
41、对的，他们极力排斥耗费金钱和时间的礼Learning materials?乐。因此，在他们的著作中对乐律是绝口不谈的。但墨家对其他方面的声学知识有一定的记载。例如运用埋缸听声的方法来侦探敌人行动。在墨子备穴篇中就记载了几种断定地下声源的定向方法。一种是当敌军挖坑道攻城时守军就在城内挖井，沿着城墙隔五步挖井一口，都紧挨着墙根。遇高地挖到当时的 3米，低地则挖到地下水位之下 6 0厘米为止。让陶工烧制坛子，每个容积约 7 8 升以上，坛口紧绷一薄层生草，放置井中。让听觉灵敏的人伏在坛口谛听，以确定敌军挖坑道的方位与动静，便于守军从城内挖坑道迎击。敌人挖坑道的声波由地下传来时，声波的衰减要比在空气中
42、传播的衰减小，这样声波传到坛子后，便会产生“交混回响”，形成较强的余音效果，再引起坛口蒙皮的受迫振动，容易被人听到。另一种方法是在城墙根的一个深坑里同时埋设两个稍有距离的坛子，根据这两个坛子的响度差来判断敌人所在方向。墨家设计的这两种类型地下声源的定向装置，后代还一直沿用。从目前的史料看，在先秦诸子中数墨家的贡献最大，我们归纳有以下几个原因。一、墨家成员大多来自社会下层，和劳动人民的联系比较密切。墨子本人的工艺技巧据说还超过人所共知的鲁班。他们比较注意记录、整理生产技术经验，并在此基础上作出一些物理知识的初步概括。同时，墨家还到处奔走活动，所谓“墨子无暖席”，这就增加了和广大生产者的联系和对大
43、自然的考察，从而丰富了各方面的知识。二、墨家十分重视对自然的研究，并喜欢“摹万物之然”以对人们的生产劳动有所帮助和促进。如墨子公输中写道，“教人耕”的功多于“不教人耕而自耕”的功，墨翟把自己比作前者。相传鲁班能削竹为鹊，飞到空中 3 天不落下来，对此墨翟起先曾大为惊奇和钦佩，后来更亲自研究出削木为车轴的技术，就是用 3 寸大小的木材，制成车辖，在车上放置 5 0 石的重量，结果车轴不断。墨翟说：这样才算巧。墨家正是以研究科学的态度促进了自然科学的发展。三、墨家有比较正确的认识论和方法论。特别是后期墨家，他们所持的出发点就是承认事物的客观存在，认为对外界事物的认识首先要通过眼、耳、鼻、舌、身等五
44、种感觉器官，与外界相接触。四、墨家建立了一套相当精彩的逻辑方法，是他们取得成就的又一重要原因。中国古代自然科学中影响较大的著作还有考工记。考工记是春秋末年齐国人的集体著作。它的范围很广，既包括了当时手工业的主要工种，又记载了大量的实用力学知识，他是我国古代第一部工程技术知识的汇集。车轮在地面上滚动时，会出现被接触地面阻碍滚动的现象；还会出现施力方向不同，滚动情况也就不同的现象。对于这些力学现象，考工记上轮人篇作了比较详细的介绍。轮人篇在讲述车辆和轮原理时指出：如果轮子和地面接触多，就难快转；反之，轮子和地面接触少，容易转得快。Learning materials?轮人篇还论述了对滚动物体的施力
45、效果。一是要使车轮和地面接触少，就是要把轮子做得尽量接近理想圆。二是使车轮与辕不是经常处于上斜坡状态，这就要求车轮一定要做得适当，不要做得太小，以免车辕与地面始终成一角度，比较费力。我国古代对于箭的制作是相当早的，那时制箭的工匠又称“矢人”。他们通过制箭的长期实践，逐渐熟悉了物体浮沉的特性并积累了使飞行体在空中保持稳定的知识和技巧。在考工记的矢人篇中，专门叙述了箭的各部分。需按一定比例制作，才能在空中飞行时保持稳定。矢人中叙述，把按比例削好的箭杆投入水中，测定浮和沉的部份，依据这个测定来决定箭的各部分比例，再按这个比例来装设箭尾的羽毛。矢人篇中还记载了箭杆、箭羽之轻重影响在空中飞行的情况。箭杆
46、的前轻或后轻都会影响箭飞行的高低；箭杆中间轻或重会影响飞行的稳定性；箭尾羽毛的多寡则和飞行速度、稳定性有关：羽毛太多，飞行速度慢，而羽毛太少，飞行就不准。惯性是力学中一个重要慨念，是经典力学的出发点。考工记中记载：“马力既竭，辀能一取焉。”意思说，马拉车的时候，马虽然停止前进，即不对车施加拉力，但车辕还能继续往前走一段路，这显然是一种惯性现象。考工记中轮人篇记载了斜面的应用。意思是：车盖是用以遮雨的，它应该做得中央高而四周低，形成一个斜面，这样泄水时，就会使水流得快，而且射得远。考工记中记载了不少声学知识，凫氏篇中写道：“钟大而短，则其声疾而短闻；钟小而长，则其声舒而远闻。”这段文字记载了钟的
47、结构和发声响度及传声距离的关系。我们知道，钟大而短，振幅小，致使声音的响度小，因而传声的距离就短；反之，钟小而长，振幅大，致使响度大，就能远闻。这是体现有关板类振动的声学规律的最早论述之一。考工记中的热学知识不多，但涉及了不少热工技术。如关于“天齐”的记载就反映出我国古代已能利用热学知识，根据各种金属的不同特性，掌握不同的温度，冶炼出性质和用途各异的合金。在考工记中还记载了人们已经用颜色来判断被加热金属的温度。文中说：“凡铸金之状，金（铜）与锡，黑浊之气竭，黄白次之。黄白之气竭，青白次之。青白之气竭，青气次之。然后可铸也。”至此，自然科学已初步形成。但古代科学技术的发展，仅仅处于简单、直观、零
48、散的状态，系统的知识，理性的知识尚未形成，科学实验尚未从生产实践活动中分离出来，更没有形成专门从事科学实验活动的队伍。虽然时代在发展，但古人所创造的业绩是不能磨灭的。没有古代，就不能有近代。当然那时人们对自然科学的分类还不详细，物理学尚未发展为独立的学科。欲知后事如何，且听下回分解。Learning materials?第二回 朴素哲学启蒙中国科技领先愚昧神教垄断欧洲物理衰落王充发现：即使是大力士，也不能自己离开地面。张衡发明世界上第一台地动仪。马钧发明“龙骨水车”。“四大发明”标志着辉煌的高峰。而中世纪欧洲科技是一个长达千年的“黑暗时期”。且说古代初期，科学体系尚未形成。中国率先进入了封建社
49、会，并迅速发展了自己的科学技术。此时，罗马帝国日渐衰微，欧洲的奴隶制度走向没落。到公元 5 世纪末，随着罗马帝国的崩溃，欧洲也进入了封建社会。但封建时代的中世纪对于欧洲的科学技术发展来说，却是一个长达 1 0 0 0年之久的“黑暗时期”。在这 1 0 0 0 年里，中国则经过从隋唐到明初封建制的高度发展，中国的科学技术也形成了独具特色的体系，在世界上处于遥遥领先的地位，并对后来欧洲科学的复兴发生了重大影响，成为封建时代科学技术发展的突出代表和整个世界科学技术发展的重要源流之一。东汉末年，由于农民起义和群雄兼并，原来统一的汉王朝又瓦解分裂，逐步形成魏、蜀、吴三国鼎立的局面。从此以后，除两晋有过一
50、段统一之外，直到隋王朝建立约三百六七十年间，中国又陷入分裂、对峙状态，战乱频繁，不能不对社会生产和科学技术的发展有一定影响。但这种战乱之间，毕竟存在着相对的稳定。而且，各个对立的政权为增强自己的实力，大都采取一些政治、经济改革的措施，关注农业和手工业的发展。在这个时期里出现了中国历史上空前的民族大融合，生产技术和科学知识也由于人员的迁徙而得到广泛的交流和传播。这一时期的科学技术并没有放慢继续前进的步伐，中国古代科学技术体系也得以充实和提高，并且涌现了如刘徵、祖冲之、张子信、贾思勰、王叔和、皇甫谧等著名的科学家。长期的生活和生产实践，使人们逐步认识了众多的自然现象和它们运动变化情况，并试图对其作