水在中国古代物理实验中的妙用
粟新华
（邵阳师范高等专科学校，湖南邵阳，422000）
摘要 在中国古代，水既是物理实验观察和研究的对象，也是物理实验材料，有时还能成为实验器件。该文从实例出发，叙述了水在中国古代物理实验中的妙用。该文提到的这些用水进行物理实验的方法和技巧，对研究中国古代科学具有很大参
考价值。
关键词 水，物理实验，妙用
中图法分类号 04-092 文献标识码： Ａ
在中国古代，人们普遍重视水的利用。以物理实验为例，研究水或应用水的实验，估计在40 %左右，这些实验构思奇特，设计巧妙，其成果广泛用于生产实际，为后人提供了不少科学方法和技巧，对了解物理现象、探讨物理规律、提高物理研究水平有不可低估的作用。为此，本文从实例出发，探讨中国古代怎样用水进行物理实验的问题。
1 以水为对象观察物理现象
水是生命之源，凡是有生命的地方，一定有水存在。以水为对象去了解客观世界，这是人类的重要课题，物理学的研究也如此。中国古代人们为此付出了艰苦努力，取得令人瞩目的成果。
1·1 水瓮放水实验——水流量的观察
“徐有贞张秋治水，或谓当浚一大沟，或谓多开支河。乃以一瓮窍方寸者一，又以一瓮窍之方寸者十，并实水发窍，窍十者先竭。”[1]
这是一个研究小孔出流的实验：取两个形状一样、容积相等的水瓮，在一个水瓮中开一个一寸见方的大孔，在另一水瓮中开十个小方孔，十个小方孔的开孔面积与大孔开孔面积相等；将两瓮灌满水后同时让水从瓮中孔口流出，开有十孔的那一水瓮里的水先流完。这个实验，在《明经世文编》、《明史纪事本末》、《明通鉴》中均有记载，只是在实验起因、开窍数目、窍的大小是否确定等叙述上稍有差异，但实验结果完全相同。该实验用对比法演示了在开孔面积相等的情况下，开孔数目多，流量就大的现象。从而有力地证明在分河疏流中多开支河比浚一大沟易于排水的问题。在中国古代，人们不
仅能够测量小孔出流的质量，而且还能应用小孔出流质量去测定其他量值, 如秤漏计时, 就是根据小孔出流质量的多少去测定时间的，是一种流水计时法。
1·2 瀹茶煎水实验——水沸腾的观察
“汤有三大辨十五小辨，一曰形辨，二曰声辨，三曰气辨。形为内辨，声为外辨，气为捷辨。如虾眼、蟹眼、鱼眼、连珠皆为萌汤；直至涌沸如腾波鼓浪，水气全消，方是纯熟。如初声、转声、振声、骤声皆为萌汤；直至无声，方是纯熟。如气浮一缕、二缕、三四缕及缕乱不分，氤氲乱绕，皆为萌汤；直至气直冲贯，方是纯熟。”[2]
这是一个观察水沸腾的实验。水被加热时，气浮一缕、二缕、三四缕，此为蒸发。临近沸腾时，气则缕乱不分，氤氲乱绕。此时，从水中冒出一个个气泡，这些气泡随水温升高逐渐变大，在经历了如虾眼、蟹眼、鱼眼的过程后，水便涌沸如腾，气直冲贯。这是运用形辨法和气辨法观察到的结果。此外还有声辨法：水被加热到一定程度会发出声音，其声响变化依次为初声、转声、振声、骤声，水沸腾后，也就几乎听不到声音了。《鹤林玉露》中有一首诗：“砌虫唧唧万蝉催，忽有千车捆载来；听得松风并涧水，急呼缥色绿瓷杯。”[3]指出水初沸时如虫声唧唧同呜，又如万蝉齐噪。二沸如同千辆重载大车驶过。到了松涛骤起，涧流喧豗，已是三沸，应即注入放好茶末的绿瓷杯中。古人的观察，何等认真与细致！
1·3 滴水入油实验——水汽化的观察
晋代张华在《博物志》上说：
“煎麻油，水气尽，无烟，不复沸则还冷，可内手搅之，得水则焰起，散卒而灭。此亦试之有验。”[4]
这是一个有关汽化的实验。油水混合物在受热过程中，由于沸点不同，水先沸腾，犹如冒“烟”。当水汽化完毕，则“无烟”。加热停止，油不再沸腾，此时如加水，由于油温尚高，水即急极汽化，又见“焰起”；汽化完毕，也就“散卒而灭”了。该书还写到：“烧白石作白灰，既讫，积著地，经日都冷，遇雨及水浇，即更燃烟焰起。”[5]以上记载尽管都把上升的水汽、烟、焰三者混淆，但实验和观察过程仔细，记载具体，这是难能可贵的。 1·4 卤水比重测量——液体浓度观察
“予监台洲社渎盐场，日以莲子试卤，择莲子重者用之。卤浮三莲、四莲、味重；五莲、尤重。莲子取其浮而直，若二莲直，或一直一横，即味差薄。若卤更薄，即莲沉于底，而煎盐不成。闽中之法，以鸡子、桃仁试之，卤味，重则正浮在上；咸淡相半，则二物俱沉。与此相类。”[6]
浓度不同的液体，其比重也不相同。远在唐代，段成式就在《酉阳杂俎》
指出：莲子放入水中一定下沉，放在制盐用的咸中则能浮着。测量卤水比重，通常用水浮法进行。这种实验在宋人写的《物类相感记》、《太平环宇记》以及明人写的《夜航船》、《菽园杂记》均有记载。但记载最别致的当数元代陈椿，他在《熬波图咏》中指出：“莲管之法：采石莲先于淤泥内浸过。用四等卤分浸四处：最咸 卤浸一处，三分卤一分水浸一处，一半卤一半水浸一处，一分卤三分水浸一处。后用竹管盛此四等所浸莲子四枚于竹管内，上用竹丝隔定竹管口，不令莲子漾出，以莲管吸卤试之，视四莲子之沉浮以别卤咸淡之等。”这段话的意思是，把莲子放在四种不同浓度的卤水之中浸泡，使莲子比重各不相同。然后将它们同时放入一种卤水中，视其浮起的莲子数目多少，就可推断卤水比重或浓度的大小，从而估测这种卤水是否有熬煎价值。实验中莲子是一种测量工具，其原理与现代浮子式比重计一样。 2 以水为材料探索物理现象
水利万物而不争，如清风明月，取之无禁，用之不竭。以水为材料去研究物理现象与规律，会减少开支，不需担心资源不够的问题。况水无色无味，属性稳定，便于利用，因此深得古人青睐。
2·1 水上浮针实验——表面张力的探索
“取头垢涂针，及塞针孔，水上自浮。”[7]
通常，将比重大于水的物体放在水中，它会沉入水底。但由于液体具有表面张力，如果把象绣花针那样比较轻小的物体小心地投放水面，针也能由于水的表面张力而不下沉。正如明代学者刘侗等人所说：“水膜生面，绣针投之则浮。”取头垢涂针，把针平放在水面，头垢中油脂向水面扩散，会增大水的表面张力，实验更易成功。《淮南万毕术》云：“首泽浮缄，取头垢，涂塞其孔，置水即浮。”[8]说的是同一道理。此外，宋人张世南在《游宦纪闻》中还做了一个有趣的实验：“验真桐油，以细篾一头作圈子，入油蘸。若真者，则如鼓而圈子上，才有伪，则不著圈上矣。”[9]我们知道，液体能不能附着在竹篾圈上，和它的表面张力大小有关。而表面张力也和液体里含的杂质有关。液体含杂质，会使液体表面张力大大减小。因此，当桐油里含的杂质比较多，它的表面张力比较小，也就不能在竹篾圈上形成一层鼓状薄膜。当然，利用表面张力的作用还可以作其他观察实验，如清代梁绍壬在《两般秋雨庵随笔》中就描述了利用液体表面张力吹制肥皂泡的实验：“春归闷，眠难稳 ，闲来吹个团圆晕。虚空界，圆光蔼，窗边才过，又飞帘外，快快快。朱唇吮，香泉润，笑拈湘管郎肩喷。风前摆，儿曹待，明珠无数，霎时何在，再再再。”难能可贵的是，叙述中不仅描述吹肥皂泡的过程、方法以及肥皂泡“圆晕”、“虚空”、“风前摆 ”（轻巧）的特征，而且还注意到发生在肥皂
泡中的光学现象，并指出“闺中女儿以笔管吸皂荚水，吹五色泡为戏┄┄”。
[10]
2·2 欹器盛水实验——物体稳定的探索
据《孔子家语》记载，孔子在鲁桓公庙见到一种欹器，他不认识，便请教看庙人。看庙人说：“这是放在座位右边，用来告诫自己的器具。”孔子学问渊博，一听便知其作用与意义，于是叫儿子伯游拿水试验，实验结果如《荀子》一书所说：
[11] “虚则欹，中则正，满则覆。”
后来，欹器曾一度失传。作为实验研究，祖冲之、李皋、曹丕等又重造欹器，宋初苏易简也做过这一实验。可见古人对于物体重心的研究，从来就没有停止过。
上述欹器，很象仰韶人使用过的尖底提水陶瓶。这种陶瓶是一种取水器具，陶腰有双耳，可穿绳索。空瓶重心在双耳之上，将它缒到河里，能自动倾倒让水入瓶，灌到六七成，瓶的重心降到双耳以下，瓶在水中自动扶正，这样提水时水不会洒出。如果将瓶强行按入水中，水满后瓶的重心就会升到比空瓶重心更高的位置，提瓶出水，由于倾斜，瓶会将水倒出一部分。这种用水研究物体重心位置变化的实验，对提高物体稳度很有科学价值。现在我们使用的翻笼车，就是一种重心位置可人为变动的装置。其实，古代陀螺，“酒胡子”（即不倒翁）也是类似研究重心位置的器具。
2·3 浮舟量豕实验——液体浮力的探索
“朔人献燕昭王以大豕，曰：‘养奚若’。······王乃命豕宰养之，十五年，大如沙坟，足如不胜其体。王异之，令衡官，桥而量之，折十桥，豕不量，命水官浮舟而量之，其重千均。”[12]
静止的液体，对于浸在其中的物体具有一定的浮力。《墨经》指出，物体所受的浮力是因为水被物体排开的关系[“荆（形）之大，其沈（沉）浅也，说在具（衡）。”“沈（沉）、荆（形）之具（衡）也，则沈（沉）浅，非荆（形）浅也。若易物五之一。”]。《考工记》记载，工匠为了试验一个木轮各部分木材比重是否一样，就把轮坯放在水里，视其各部分浮沉是否均匀。燕昭王称豕，用“桥”（桔槔）改装成衡器，屡折屡换，十次都没把豕重称出，也就只好用船来称了。这种“浮舟量豕”的作法与“曹冲称象”完全一样，采用的都是水浮法。水浮法的妙用，《宋史·方技传》上也有一段精彩记载：
“河中府浮梁用铁牛八维之，一牛且数万斤。后水暴涨绝梁，牵牛没于河，募能出之者。僧怀丙以二大舟实土，夹牛维之。用大木为权衡状钩牛，徐去其土，舟浮牛出。”[13]
这段记载，是用浮力起重，是“称象”原理的逆运用。
此外，沈括还在《梦溪笔谈·补笔谈》中写到：
“国初，两浙献龙船，长二十余丈，上为宫室层楼，设御榻以备游幸。岁久，腹败欲修治，而水中不可施工。熙宁中，宦官黄怀信献：于金明池北凿大澳，可容龙船，其下置柱，以大木梁其上，乃决水入澳，引船当梁上， 即车出澳中水，船乃 于空中。完补讫，复以水浮船 ，撤去梁柱， 以大屋蒙之，遂为藏船之室，永无暴露之患。”[14]
黄怀信的办法，真可谓一箭双雕，绝妙无比。
2·4 瓶子倒水实验——大气压强的探索
“瓶存二窍，以水实之则倒泻，闭一则水不下，盖不升则不降。”[15] 这是一个证明大气压强存在的实验，在瓶子上开一个孔，这样整个瓶子（包括瓶口）就有两个孔。将瓶中灌满水，再把瓶子倒过来，水就会从瓶口流出。此时，只要将瓶中任何一个孔堵住，水就不会流出来了，这是因为气“不升则不降”的缘故。
我们清楚，当瓶子的一孔被堵住后，另一孔两端——即瓶内瓶外压强是相等的，水当然不会流出来。
另外，王冰在《黄帝内经素问》的注释中还介绍了一个“虚管悬水”的实验：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气不能降也。空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。”[16]这一实验的不同处是用两端连通的直管替代了瓶子，但原理解释与“瓶子倒水”实验的原理解释完全一样。不过，这段记载多了一个用小口空瓶灌不进水的实验，并说明小口空瓶灌不进水的原因是因为瓶里气体出不来的缘故。无独有偶，明代庄元臣在《叔苴子·内篇》又补充了一个例子：“ 水于盎，覆匏而水不得入，气拒之也。”[17]把葫芦勺倒压入水中，水并没有进入葫芦里，因葫芦里有空气。
2·5 铜瓮雷呜实验——大气作功的探索
“取沸汤置瓮（铜瓮）中，坚塞之，内于井中，则作雷呜，闻数十里。”[18] 意思是：把开水倒进（很薄的）铜瓮里（但不注满），将铜瓮密封后丢入井中（铜瓮在下沉过程中会发生爆炸），声似雷呜，数十里也能听到。
这个实验的原理是：铜瓮在下沉过程中遇水变冷，瓮中水面上蒸气迅速凝结，压强减低；铜瓮在大气压和水压的双重作用下向内破裂，造成巨大的爆炸声。
此外，宋代俞琰在《席上腐谈》中还介绍了一个“瓶子喝水”实验：把烧得很旺的纸片放入空瓶中，将瓶倒盖在很浅的盆水里，盆水即涌入瓶中。并且指出：如将瓶复盖在人腹上，则能紧紧地贴住。实际上，这个实验解释了医疗中的“拔罐”原理，因为拔罐疗法早在先秦时期就已出现。如果说“铜
瓮雷呜”实验只是介绍了大气作功现象，那么“瓶子喝水”实验则还指出了大气作功的应用。很明显，中国古代实验均有明确的目的。
2·6 鱼洗喷水实验——曲板振动的探索
“古州城外河街，有陈顺昌者，以钱二千向苗人购一古铜锅，重十余斤。贮冷水于中，摩其两耳，即发声如风琴，如芦笙，如吹牛角。其声嘹亮，可闻里余。锅中冷水即起细沫如沸水，溅跳甚高。水面四周成八角形，中心不动。传闻为古代苗王遗物。锅上大下小，遍体青绿，两耳有鱼形纹。后归李
[19] 子明。”
上述铜锅，叫喷水鱼洗或鱼洗。这种颇富神奇色彩的古代玩器，大多类似洗脸盆，且盆内底部刻鱼，摩其两耳，盆内便能喷射出美丽的水柱，在水面形成缤纷的浪花。其喷水原理实际上是振动产生的四节线振波引起了水的激荡，振动过程类似于圆钟的空气振动。试图使鱼洗喷水，应使手掌和两弦摩擦，作为洗发生振动的激励源。手掌所处位置可视为振动波节的位置，因洗对称，其振动只能产生偶然节线，振动的拍击波使洗内的水发生相应的谐和振动，于是在洗振动波腹处，水的振动最强烈，而在洗振动波节处，水不发生振动。这一实验的绝妙之处在于把弯曲板的不可见的振动情形通过水显示出来。它验证了《春渚纪闻》、《挥尘录》所言鱼洗喷水现象，观察仔细，记录详尽，描述生动。
3 以水制作或取代实验器件
水不仅能成为物理实验研究的对象和材料，而且也能取代和制作实验器具。在我国古代，有人就曾利用水在不同状态下的物理性质，制作和取代实验器具，下面举例说明。
3·1 冰镜取火实验——冰凸透镜的妙用
《淮南万毕术》云：
“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”[20]
这个实验，应用了水在聂氏零度以下所呈现的固态特征，将冰削制成凸透镜，用以对日聚焦取火。温度如此之低的冰块，怎么能将艾枝一类植物燃烧起来呢，真是太奇妙了，简直令人难以置信。清代郑复光就是一个，他决定亲手试验。1819年，他选取透明度极好的冰，用手工削制，因表面“甚难得圆”而招致实验失败。继而用凹底锡壶，充以热水，放在冰块上旋转，得到了形状很好的冰凸透镜，口径3寸，焦距2尺，对日聚焦，竟使“火煤”燃烧起来了。后来他又改进实验数据，取口径为5寸，焦距为1.7尺，这个数据更加理想。他的实验表明，西汉冰镜取火不是无稽之谈。当然，国外也有用冰制透镜取火的实验，不过那是17世纪的事情了。
3·2 砚中显“影”实验——水凹透镜的妙用
“徐州护戎陈皋供奉，行田间遇开墓者，得玛瑙盂，圆净无雕镂纹，盂中容二合许，疑古酒卮也。陈用以贮水注砚，因间砚之中有一鲫，长寸许，游泳可爱。意为偶汲池水得之，不以为异也。后或疑之，取置缶中，尽出余水，验之鱼不复见。复酌水满中，须臾一鱼泛然而起，以手取之，终无形体可拘。复不可知为何宝也。余视之数矣。”[21]
关于容器中的显影现象，张英、王士祯在《渊鉴类函·器物部》也有记载：“真率斋笔记云：关关赠余本明以青华酒杯，酌酒辄有异香在内，或有桂花，或梅，或兰，视之宛然，取之若影，干则不见矣。余宝之。”[22]
上述现象，着实令人着迷，甚至有人将它搬上戏剧舞台。中国有一曲流传很广的剧目叫“蝴蝶杯”，剧中描述了发生在明代的一个打官司故事，戏中男主角有一个神奇的“蝴蝶杯”，只要斟酒入杯，就见蝴蝶在杯中翩翩起舞，杯中酒干，蝴蝶也就隐去。1979年，山西少侯马市一工厂科技人员，通过长期研究，仿制蝴蝶杯获得成功，其原理如下：在杯底中央嵌装一枚凸透镜，在杯脚里以细弹簧（游丝）装上一个彩蝶，只要杯受微小干扰，彩蝶就能舞动。杯中无酒时，彩蝶在凸透镜焦点之外，造成与人眼同侧的实像，人眼视之很模糊。斟酒入杯后，这层透明的酒成了一枚凹透镜，凸透镜与凹透镜组合成为复合透镜。复合透镜的焦距比凸透镜的焦距大，彩蝶便落在复合透镜焦距之内，造成了放大的虚象，大约位于明视距离处。此时复合镜起放大镜作用，故人眼很清楚地看到放大了的蝴蝶。因杯拿在手里总要受点干扰，蝴蝶也就翩翩起舞了。古人砚中可能没有弹簧，但水面微小的波动，足以使鲫“游泳可爱”。水的作用多么神奇！
3·3 喷水造虹实验——水滴群的妙用
虹是阳光射入水滴经折射、反射、衍射而形成在雨幕或雾幕上的彩色或白色圆弧。但在中国古代，却有人认为虹乃是天地之淫气。《诗经》曰：“蝃蝀在东，莫之敢指。”[23]意思是：虹出现在东方，谁都不敢用手去指（因为怕遭凶灾）。事实果真如此吗？
东汉蔡邕经过仔细观察，找到了虹的生成条件及位置关系。他说：虹是生成于和太阳相对方向的云气中，没有云就不会见到虹，但阴沉天气也不会形成虹。话虽十分表面，但基本上是正确的。
到了唐代，人们对虹的认识就大大进步了。孔颖达在《礼记注疏·月令》“虹始见”条下说到：“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”诗人张九龄则在《湖口望庐山瀑布水》中咏道：“万丈红泉落，迢迢半紫氛┄┄日照虹霓似，天清风雨闻┄┄。”[24]我们知道，当山间瀑布下泄，水珠四溅，日光照射，即成七彩，犹似虹霓。这使人想到能不能人为地制造虹霓之状。唐代张志和在
《玄真子》一书中就提到：“背日喷乎水成虹霓之状。”意思是：背着太阳向空中喷水，就可以观察到虹霓现象。这个实验太有意义了，这是人们有意识进行的一次白光色散实验，它直接摹拟了虹霓现象，不仅可验证关于虹的成因解释，而且给历史上关于虹的种种迷信邪说以毁灭性的打击。唐以后，不断有人做此实验，如宋代蔡卞，他在《毛诗名物释》提到：“以水喷日，自侧视之，则晕为虹霓。”这里，蔡卞进一步指出了观察虹霓的位置。
喷水造虹，是我国古代用水做光学实验并以水滴群取代实验仪器的又一典型。
3·4 悬镜照邻实验——水鉴的妙用
东汉高诱注《淮南万毕术》“高悬大镜，坐见四邻”时指出：
“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”
这就是“悬镜照邻”实验。实验中的水面，相当于一平面镜，它的作用是把从大镜反射到水盆水面的光线再反射给人眼，使人能看到在宅内看不见的宅外景像。很明显，水盆与大镜的组合已构成新的装置——开管潜望镜，这种装置在古代军事中得到应用。
我们清楚，静止的水面是光的良好反射面，还在原始社会，人类就已注意到平静湖面中的倒像，所以，反射成像是人类最早能观察到的光学现象之
一。在中国殷代，就已有人利用静止的盘水作为照像器具，这种器具叫“水鉴”，即后来所说的“水镜”。
《广雅》曰：“鉴谓之镜。”《说文》解释“鉴”的含义是：“鉴，水盆也。”金文、甲骨文的“鉴”字，其形就像一个人面对盆来照颜。可见，在人类尚未掌握青铜器的铸造技术之前，以盆盛水照颜是很普遍的，即使是金属镜得到发展以后，以水照颜仍很普遍，因为盆，水始终不能离开人类的生活，它们的取得比鉴更为容易。
参考文献
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The Magic Use of Water in Physical
Experiments of Ancient China
Su Xinhua
( Shaoyang Teachers’ college Shaoyang City,Hunan Province Post Code :422000)
Abstract In physical experiments of ancient China, water was not only the object of observation and study, but also an experimental material, and it could sometimes become an experimental apparatus as well. This thesis relates the magic use of water in physical experiments of ancient China through various examples. The methods and skills mentioned in these Physical experiments with water were of great referential value to the study of the science of ancient China.
Key Words Water, Physical Experiment, Magic Use
水在中国古代物理实验中的妙用
粟新华
（邵阳师范高等专科学校，湖南邵阳，422000）
摘要 在中国古代，水既是物理实验观察和研究的对象，也是物理实验材料，有时还能成为实验器件。该文从实例出发，叙述了水在中国古代物理实验中的妙用。该文提到的这些用水进行物理实验的方法和技巧，对研究中国古代科学具有很大参
考价值。
关键词 水，物理实验，妙用
中图法分类号 04-092 文献标识码： Ａ
在中国古代，人们普遍重视水的利用。以物理实验为例，研究水或应用水的实验，估计在40 %左右，这些实验构思奇特，设计巧妙，其成果广泛用于生产实际，为后人提供了不少科学方法和技巧，对了解物理现象、探讨物理规律、提高物理研究水平有不可低估的作用。为此，本文从实例出发，探讨中国古代怎样用水进行物理实验的问题。
1 以水为对象观察物理现象
水是生命之源，凡是有生命的地方，一定有水存在。以水为对象去了解客观世界，这是人类的重要课题，物理学的研究也如此。中国古代人们为此付出了艰苦努力，取得令人瞩目的成果。
1·1 水瓮放水实验——水流量的观察
“徐有贞张秋治水，或谓当浚一大沟，或谓多开支河。乃以一瓮窍方寸者一，又以一瓮窍之方寸者十，并实水发窍，窍十者先竭。”[1]
这是一个研究小孔出流的实验：取两个形状一样、容积相等的水瓮，在一个水瓮中开一个一寸见方的大孔，在另一水瓮中开十个小方孔，十个小方孔的开孔面积与大孔开孔面积相等；将两瓮灌满水后同时让水从瓮中孔口流出，开有十孔的那一水瓮里的水先流完。这个实验，在《明经世文编》、《明史纪事本末》、《明通鉴》中均有记载，只是在实验起因、开窍数目、窍的大小是否确定等叙述上稍有差异，但实验结果完全相同。该实验用对比法演示了在开孔面积相等的情况下，开孔数目多，流量就大的现象。从而有力地证明在分河疏流中多开支河比浚一大沟易于排水的问题。在中国古代，人们不
仅能够测量小孔出流的质量，而且还能应用小孔出流质量去测定其他量值, 如秤漏计时, 就是根据小孔出流质量的多少去测定时间的，是一种流水计时法。
1·2 瀹茶煎水实验——水沸腾的观察
“汤有三大辨十五小辨，一曰形辨，二曰声辨，三曰气辨。形为内辨，声为外辨，气为捷辨。如虾眼、蟹眼、鱼眼、连珠皆为萌汤；直至涌沸如腾波鼓浪，水气全消，方是纯熟。如初声、转声、振声、骤声皆为萌汤；直至无声，方是纯熟。如气浮一缕、二缕、三四缕及缕乱不分，氤氲乱绕，皆为萌汤；直至气直冲贯，方是纯熟。”[2]
这是一个观察水沸腾的实验。水被加热时，气浮一缕、二缕、三四缕，此为蒸发。临近沸腾时，气则缕乱不分，氤氲乱绕。此时，从水中冒出一个个气泡，这些气泡随水温升高逐渐变大，在经历了如虾眼、蟹眼、鱼眼的过程后，水便涌沸如腾，气直冲贯。这是运用形辨法和气辨法观察到的结果。此外还有声辨法：水被加热到一定程度会发出声音，其声响变化依次为初声、转声、振声、骤声，水沸腾后，也就几乎听不到声音了。《鹤林玉露》中有一首诗：“砌虫唧唧万蝉催，忽有千车捆载来；听得松风并涧水，急呼缥色绿瓷杯。”[3]指出水初沸时如虫声唧唧同呜，又如万蝉齐噪。二沸如同千辆重载大车驶过。到了松涛骤起，涧流喧豗，已是三沸，应即注入放好茶末的绿瓷杯中。古人的观察，何等认真与细致！
1·3 滴水入油实验——水汽化的观察
晋代张华在《博物志》上说：
“煎麻油，水气尽，无烟，不复沸则还冷，可内手搅之，得水则焰起，散卒而灭。此亦试之有验。”[4]
这是一个有关汽化的实验。油水混合物在受热过程中，由于沸点不同，水先沸腾，犹如冒“烟”。当水汽化完毕，则“无烟”。加热停止，油不再沸腾，此时如加水，由于油温尚高，水即急极汽化，又见“焰起”；汽化完毕，也就“散卒而灭”了。该书还写到：“烧白石作白灰，既讫，积著地，经日都冷，遇雨及水浇，即更燃烟焰起。”[5]以上记载尽管都把上升的水汽、烟、焰三者混淆，但实验和观察过程仔细，记载具体，这是难能可贵的。 1·4 卤水比重测量——液体浓度观察
“予监台洲社渎盐场，日以莲子试卤，择莲子重者用之。卤浮三莲、四莲、味重；五莲、尤重。莲子取其浮而直，若二莲直，或一直一横，即味差薄。若卤更薄，即莲沉于底，而煎盐不成。闽中之法，以鸡子、桃仁试之，卤味，重则正浮在上；咸淡相半，则二物俱沉。与此相类。”[6]
浓度不同的液体，其比重也不相同。远在唐代，段成式就在《酉阳杂俎》
指出：莲子放入水中一定下沉，放在制盐用的咸中则能浮着。测量卤水比重，通常用水浮法进行。这种实验在宋人写的《物类相感记》、《太平环宇记》以及明人写的《夜航船》、《菽园杂记》均有记载。但记载最别致的当数元代陈椿，他在《熬波图咏》中指出：“莲管之法：采石莲先于淤泥内浸过。用四等卤分浸四处：最咸 卤浸一处，三分卤一分水浸一处，一半卤一半水浸一处，一分卤三分水浸一处。后用竹管盛此四等所浸莲子四枚于竹管内，上用竹丝隔定竹管口，不令莲子漾出，以莲管吸卤试之，视四莲子之沉浮以别卤咸淡之等。”这段话的意思是，把莲子放在四种不同浓度的卤水之中浸泡，使莲子比重各不相同。然后将它们同时放入一种卤水中，视其浮起的莲子数目多少，就可推断卤水比重或浓度的大小，从而估测这种卤水是否有熬煎价值。实验中莲子是一种测量工具，其原理与现代浮子式比重计一样。 2 以水为材料探索物理现象
水利万物而不争，如清风明月，取之无禁，用之不竭。以水为材料去研究物理现象与规律，会减少开支，不需担心资源不够的问题。况水无色无味，属性稳定，便于利用，因此深得古人青睐。
2·1 水上浮针实验——表面张力的探索
“取头垢涂针，及塞针孔，水上自浮。”[7]
通常，将比重大于水的物体放在水中，它会沉入水底。但由于液体具有表面张力，如果把象绣花针那样比较轻小的物体小心地投放水面，针也能由于水的表面张力而不下沉。正如明代学者刘侗等人所说：“水膜生面，绣针投之则浮。”取头垢涂针，把针平放在水面，头垢中油脂向水面扩散，会增大水的表面张力，实验更易成功。《淮南万毕术》云：“首泽浮缄，取头垢，涂塞其孔，置水即浮。”[8]说的是同一道理。此外，宋人张世南在《游宦纪闻》中还做了一个有趣的实验：“验真桐油，以细篾一头作圈子，入油蘸。若真者，则如鼓而圈子上，才有伪，则不著圈上矣。”[9]我们知道，液体能不能附着在竹篾圈上，和它的表面张力大小有关。而表面张力也和液体里含的杂质有关。液体含杂质，会使液体表面张力大大减小。因此，当桐油里含的杂质比较多，它的表面张力比较小，也就不能在竹篾圈上形成一层鼓状薄膜。当然，利用表面张力的作用还可以作其他观察实验，如清代梁绍壬在《两般秋雨庵随笔》中就描述了利用液体表面张力吹制肥皂泡的实验：“春归闷，眠难稳 ，闲来吹个团圆晕。虚空界，圆光蔼，窗边才过，又飞帘外，快快快。朱唇吮，香泉润，笑拈湘管郎肩喷。风前摆，儿曹待，明珠无数，霎时何在，再再再。”难能可贵的是，叙述中不仅描述吹肥皂泡的过程、方法以及肥皂泡“圆晕”、“虚空”、“风前摆 ”（轻巧）的特征，而且还注意到发生在肥皂
泡中的光学现象，并指出“闺中女儿以笔管吸皂荚水，吹五色泡为戏┄┄”。
[10]
2·2 欹器盛水实验——物体稳定的探索
据《孔子家语》记载，孔子在鲁桓公庙见到一种欹器，他不认识，便请教看庙人。看庙人说：“这是放在座位右边，用来告诫自己的器具。”孔子学问渊博，一听便知其作用与意义，于是叫儿子伯游拿水试验，实验结果如《荀子》一书所说：
[11] “虚则欹，中则正，满则覆。”
后来，欹器曾一度失传。作为实验研究，祖冲之、李皋、曹丕等又重造欹器，宋初苏易简也做过这一实验。可见古人对于物体重心的研究，从来就没有停止过。
上述欹器，很象仰韶人使用过的尖底提水陶瓶。这种陶瓶是一种取水器具，陶腰有双耳，可穿绳索。空瓶重心在双耳之上，将它缒到河里，能自动倾倒让水入瓶，灌到六七成，瓶的重心降到双耳以下，瓶在水中自动扶正，这样提水时水不会洒出。如果将瓶强行按入水中，水满后瓶的重心就会升到比空瓶重心更高的位置，提瓶出水，由于倾斜，瓶会将水倒出一部分。这种用水研究物体重心位置变化的实验，对提高物体稳度很有科学价值。现在我们使用的翻笼车，就是一种重心位置可人为变动的装置。其实，古代陀螺，“酒胡子”（即不倒翁）也是类似研究重心位置的器具。
2·3 浮舟量豕实验——液体浮力的探索
“朔人献燕昭王以大豕，曰：‘养奚若’。······王乃命豕宰养之，十五年，大如沙坟，足如不胜其体。王异之，令衡官，桥而量之，折十桥，豕不量，命水官浮舟而量之，其重千均。”[12]
静止的液体，对于浸在其中的物体具有一定的浮力。《墨经》指出，物体所受的浮力是因为水被物体排开的关系[“荆（形）之大，其沈（沉）浅也，说在具（衡）。”“沈（沉）、荆（形）之具（衡）也，则沈（沉）浅，非荆（形）浅也。若易物五之一。”]。《考工记》记载，工匠为了试验一个木轮各部分木材比重是否一样，就把轮坯放在水里，视其各部分浮沉是否均匀。燕昭王称豕，用“桥”（桔槔）改装成衡器，屡折屡换，十次都没把豕重称出，也就只好用船来称了。这种“浮舟量豕”的作法与“曹冲称象”完全一样，采用的都是水浮法。水浮法的妙用，《宋史·方技传》上也有一段精彩记载：
“河中府浮梁用铁牛八维之，一牛且数万斤。后水暴涨绝梁，牵牛没于河，募能出之者。僧怀丙以二大舟实土，夹牛维之。用大木为权衡状钩牛，徐去其土，舟浮牛出。”[13]
这段记载，是用浮力起重，是“称象”原理的逆运用。
此外，沈括还在《梦溪笔谈·补笔谈》中写到：
“国初，两浙献龙船，长二十余丈，上为宫室层楼，设御榻以备游幸。岁久，腹败欲修治，而水中不可施工。熙宁中，宦官黄怀信献：于金明池北凿大澳，可容龙船，其下置柱，以大木梁其上，乃决水入澳，引船当梁上， 即车出澳中水，船乃 于空中。完补讫，复以水浮船 ，撤去梁柱， 以大屋蒙之，遂为藏船之室，永无暴露之患。”[14]
黄怀信的办法，真可谓一箭双雕，绝妙无比。
2·4 瓶子倒水实验——大气压强的探索
“瓶存二窍，以水实之则倒泻，闭一则水不下，盖不升则不降。”[15] 这是一个证明大气压强存在的实验，在瓶子上开一个孔，这样整个瓶子（包括瓶口）就有两个孔。将瓶中灌满水，再把瓶子倒过来，水就会从瓶口流出。此时，只要将瓶中任何一个孔堵住，水就不会流出来了，这是因为气“不升则不降”的缘故。
我们清楚，当瓶子的一孔被堵住后，另一孔两端——即瓶内瓶外压强是相等的，水当然不会流出来。
另外，王冰在《黄帝内经素问》的注释中还介绍了一个“虚管悬水”的实验：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄，为无升气不能降也。空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。”[16]这一实验的不同处是用两端连通的直管替代了瓶子，但原理解释与“瓶子倒水”实验的原理解释完全一样。不过，这段记载多了一个用小口空瓶灌不进水的实验，并说明小口空瓶灌不进水的原因是因为瓶里气体出不来的缘故。无独有偶，明代庄元臣在《叔苴子·内篇》又补充了一个例子：“ 水于盎，覆匏而水不得入，气拒之也。”[17]把葫芦勺倒压入水中，水并没有进入葫芦里，因葫芦里有空气。
2·5 铜瓮雷呜实验——大气作功的探索
“取沸汤置瓮（铜瓮）中，坚塞之，内于井中，则作雷呜，闻数十里。”[18] 意思是：把开水倒进（很薄的）铜瓮里（但不注满），将铜瓮密封后丢入井中（铜瓮在下沉过程中会发生爆炸），声似雷呜，数十里也能听到。
这个实验的原理是：铜瓮在下沉过程中遇水变冷，瓮中水面上蒸气迅速凝结，压强减低；铜瓮在大气压和水压的双重作用下向内破裂，造成巨大的爆炸声。
此外，宋代俞琰在《席上腐谈》中还介绍了一个“瓶子喝水”实验：把烧得很旺的纸片放入空瓶中，将瓶倒盖在很浅的盆水里，盆水即涌入瓶中。并且指出：如将瓶复盖在人腹上，则能紧紧地贴住。实际上，这个实验解释了医疗中的“拔罐”原理，因为拔罐疗法早在先秦时期就已出现。如果说“铜
瓮雷呜”实验只是介绍了大气作功现象，那么“瓶子喝水”实验则还指出了大气作功的应用。很明显，中国古代实验均有明确的目的。
2·6 鱼洗喷水实验——曲板振动的探索
“古州城外河街，有陈顺昌者，以钱二千向苗人购一古铜锅，重十余斤。贮冷水于中，摩其两耳，即发声如风琴，如芦笙，如吹牛角。其声嘹亮，可闻里余。锅中冷水即起细沫如沸水，溅跳甚高。水面四周成八角形，中心不动。传闻为古代苗王遗物。锅上大下小，遍体青绿，两耳有鱼形纹。后归李
[19] 子明。”
上述铜锅，叫喷水鱼洗或鱼洗。这种颇富神奇色彩的古代玩器，大多类似洗脸盆，且盆内底部刻鱼，摩其两耳，盆内便能喷射出美丽的水柱，在水面形成缤纷的浪花。其喷水原理实际上是振动产生的四节线振波引起了水的激荡，振动过程类似于圆钟的空气振动。试图使鱼洗喷水，应使手掌和两弦摩擦，作为洗发生振动的激励源。手掌所处位置可视为振动波节的位置，因洗对称，其振动只能产生偶然节线，振动的拍击波使洗内的水发生相应的谐和振动，于是在洗振动波腹处，水的振动最强烈，而在洗振动波节处，水不发生振动。这一实验的绝妙之处在于把弯曲板的不可见的振动情形通过水显示出来。它验证了《春渚纪闻》、《挥尘录》所言鱼洗喷水现象，观察仔细，记录详尽，描述生动。
3 以水制作或取代实验器件
水不仅能成为物理实验研究的对象和材料，而且也能取代和制作实验器具。在我国古代，有人就曾利用水在不同状态下的物理性质，制作和取代实验器具，下面举例说明。
3·1 冰镜取火实验——冰凸透镜的妙用
《淮南万毕术》云：
“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”[20]
这个实验，应用了水在聂氏零度以下所呈现的固态特征，将冰削制成凸透镜，用以对日聚焦取火。温度如此之低的冰块，怎么能将艾枝一类植物燃烧起来呢，真是太奇妙了，简直令人难以置信。清代郑复光就是一个，他决定亲手试验。1819年，他选取透明度极好的冰，用手工削制，因表面“甚难得圆”而招致实验失败。继而用凹底锡壶，充以热水，放在冰块上旋转，得到了形状很好的冰凸透镜，口径3寸，焦距2尺，对日聚焦，竟使“火煤”燃烧起来了。后来他又改进实验数据，取口径为5寸，焦距为1.7尺，这个数据更加理想。他的实验表明，西汉冰镜取火不是无稽之谈。当然，国外也有用冰制透镜取火的实验，不过那是17世纪的事情了。
3·2 砚中显“影”实验——水凹透镜的妙用
“徐州护戎陈皋供奉，行田间遇开墓者，得玛瑙盂，圆净无雕镂纹，盂中容二合许，疑古酒卮也。陈用以贮水注砚，因间砚之中有一鲫，长寸许，游泳可爱。意为偶汲池水得之，不以为异也。后或疑之，取置缶中，尽出余水，验之鱼不复见。复酌水满中，须臾一鱼泛然而起，以手取之，终无形体可拘。复不可知为何宝也。余视之数矣。”[21]
关于容器中的显影现象，张英、王士祯在《渊鉴类函·器物部》也有记载：“真率斋笔记云：关关赠余本明以青华酒杯，酌酒辄有异香在内，或有桂花，或梅，或兰，视之宛然，取之若影，干则不见矣。余宝之。”[22]
上述现象，着实令人着迷，甚至有人将它搬上戏剧舞台。中国有一曲流传很广的剧目叫“蝴蝶杯”，剧中描述了发生在明代的一个打官司故事，戏中男主角有一个神奇的“蝴蝶杯”，只要斟酒入杯，就见蝴蝶在杯中翩翩起舞，杯中酒干，蝴蝶也就隐去。1979年，山西少侯马市一工厂科技人员，通过长期研究，仿制蝴蝶杯获得成功，其原理如下：在杯底中央嵌装一枚凸透镜，在杯脚里以细弹簧（游丝）装上一个彩蝶，只要杯受微小干扰，彩蝶就能舞动。杯中无酒时，彩蝶在凸透镜焦点之外，造成与人眼同侧的实像，人眼视之很模糊。斟酒入杯后，这层透明的酒成了一枚凹透镜，凸透镜与凹透镜组合成为复合透镜。复合透镜的焦距比凸透镜的焦距大，彩蝶便落在复合透镜焦距之内，造成了放大的虚象，大约位于明视距离处。此时复合镜起放大镜作用，故人眼很清楚地看到放大了的蝴蝶。因杯拿在手里总要受点干扰，蝴蝶也就翩翩起舞了。古人砚中可能没有弹簧，但水面微小的波动，足以使鲫“游泳可爱”。水的作用多么神奇！
3·3 喷水造虹实验——水滴群的妙用
虹是阳光射入水滴经折射、反射、衍射而形成在雨幕或雾幕上的彩色或白色圆弧。但在中国古代，却有人认为虹乃是天地之淫气。《诗经》曰：“蝃蝀在东，莫之敢指。”[23]意思是：虹出现在东方，谁都不敢用手去指（因为怕遭凶灾）。事实果真如此吗？
东汉蔡邕经过仔细观察，找到了虹的生成条件及位置关系。他说：虹是生成于和太阳相对方向的云气中，没有云就不会见到虹，但阴沉天气也不会形成虹。话虽十分表面，但基本上是正确的。
到了唐代，人们对虹的认识就大大进步了。孔颖达在《礼记注疏·月令》“虹始见”条下说到：“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”诗人张九龄则在《湖口望庐山瀑布水》中咏道：“万丈红泉落，迢迢半紫氛┄┄日照虹霓似，天清风雨闻┄┄。”[24]我们知道，当山间瀑布下泄，水珠四溅，日光照射，即成七彩，犹似虹霓。这使人想到能不能人为地制造虹霓之状。唐代张志和在
《玄真子》一书中就提到：“背日喷乎水成虹霓之状。”意思是：背着太阳向空中喷水，就可以观察到虹霓现象。这个实验太有意义了，这是人们有意识进行的一次白光色散实验，它直接摹拟了虹霓现象，不仅可验证关于虹的成因解释，而且给历史上关于虹的种种迷信邪说以毁灭性的打击。唐以后，不断有人做此实验，如宋代蔡卞，他在《毛诗名物释》提到：“以水喷日，自侧视之，则晕为虹霓。”这里，蔡卞进一步指出了观察虹霓的位置。
喷水造虹，是我国古代用水做光学实验并以水滴群取代实验仪器的又一典型。
3·4 悬镜照邻实验——水鉴的妙用
东汉高诱注《淮南万毕术》“高悬大镜，坐见四邻”时指出：
“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”
这就是“悬镜照邻”实验。实验中的水面，相当于一平面镜，它的作用是把从大镜反射到水盆水面的光线再反射给人眼，使人能看到在宅内看不见的宅外景像。很明显，水盆与大镜的组合已构成新的装置——开管潜望镜，这种装置在古代军事中得到应用。
我们清楚，静止的水面是光的良好反射面，还在原始社会，人类就已注意到平静湖面中的倒像，所以，反射成像是人类最早能观察到的光学现象之
一。在中国殷代，就已有人利用静止的盘水作为照像器具，这种器具叫“水鉴”，即后来所说的“水镜”。
《广雅》曰：“鉴谓之镜。”《说文》解释“鉴”的含义是：“鉴，水盆也。”金文、甲骨文的“鉴”字，其形就像一个人面对盆来照颜。可见，在人类尚未掌握青铜器的铸造技术之前，以盆盛水照颜是很普遍的，即使是金属镜得到发展以后，以水照颜仍很普遍，因为盆，水始终不能离开人类的生活，它们的取得比鉴更为容易。
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The Magic Use of Water in Physical
Experiments of Ancient China
Su Xinhua
( Shaoyang Teachers’ college Shaoyang City,Hunan Province Post Code :422000)
Abstract In physical experiments of ancient China, water was not only the object of observation and study, but also an experimental material, and it could sometimes become an experimental apparatus as well. This thesis relates the magic use of water in physical experiments of ancient China through various examples. The methods and skills mentioned in these Physical experiments with water were of great referential value to the study of the science of ancient China.
Key Words Water, Physical Experiment, Magic Use