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时间:公元14世纪。
《革象新书》是我国古代突出的实验物理学家赵友钦(1279—1368)所著。这是一部探究天地四时变化规律古代天文学的综合著作,也记载了作者本人的研究成果和创造发明,书名取义于“革卦大象之文”。赵友钦死后,这部书稿传授给他的学生朱晖,朱晖继续宣传他的学说和著作。朱晖死后,由其学生章浚在元末刊刻出版,出版时不分卷,卷首刊有宋濂(1310—1381)的序文。
《革象新书》全书以笔记的形式写成。书中绝大部分讨论天文问题同时也讨论了物理学、数学问题。
书中在天文学方面讨论由日东出西没得出天道左旋的结论;讨论了太阳的影子长短随着昼夜、冬夏的变化,在地上立一木杆测量其影子长短,得出东出西没时影子最长、日正中时影子最短、冬至、夏至时影子最长的结论;讨论了闰月、寒暑节气、昼夜长短、黄道损益等天文历法问题还着重讨论了盖天说以及浑仪的制造、用途及其缺点,指出浑天仪不能测横度的不足,并给出了一种测量横度的新方法。
在“经星定躔”一节,赵友钦提出了一种新的测量两颗恒星赤经之差的方法。他使用一套特制的漏壶,控制水的流量,使浮箭在一定的时间内移动一定的格数。另在一木架上依南北方向放置两条平行的木条,其间留有一道窄缝,此缝隙正中恰好对准当地的子午线。观测者候于架下,当某星出现于缝隙中央时即发呼声,另一人即记下漏壶中浮箭的指数;由两星过隙浮箭刻数之差就可算出它们的赤经差来。这种利用两颗恒星上中天的时刻差来求其赤经差的方法,与近代子午线观测的原理是完全一致的。
《革象新书》中最为精彩的一节是“小+光景”(+就是小孔或狭缝),介绍了两个关于小孔成像的光学实验,以此研究小孔成像规律,以及由此引申的物理现象。
第一个实验是利用壁间小孔成像。赵友钦首先通过观察日光通过壁间小孔所成的像,指出其大小及形状并不依小孔的大小(在一定程度内及形状而变,只是其浓淡程度(即照度)不同而已。他也指出随着像屏的移近(远),像逐渐变小(大)变浓(淡)。从实验知道,光通过小孔时,不论孔的形状如何,屏上得到的光斑总是发光物的像。当孔相当大时,则屏上得到的光斑形状随孔的形状而定,孔方则方,孔圆则圆。他对这个现象的解释是“罅小则不足容日月之体,是以随日、月之形而圆,及其缺则皆缺。”“罅大而可容日、月之体也。”说明了小孔成像与孔的大小有关。
第二个实验则是一个更为复杂的大型实验。他把一个二层楼房作为实验室,在楼下的两间房子的地面上各挖一个直径约1.33米(四尺)的圆井,右边井深约1.33米(四尺),左边井深约2.66米(八尺),在左边井里放一只约1.33米(四尺)高的桌子,在左井桌上和右井井底各放一块密插1000多支蜡烛的圆板,作为光源,把它们看作太阳或月亮。在楼板上各有一小方孔,左边的孔宽约3.3厘米(一寸),右边的孔宽约1.65厘米(半寸)。
这里也应指出的是,赵友钦在进行上述小孔成像的研究中,采用的那种实验步骤,即只改变孔的大小;只改变光源的形状;只改变像距;只改变物距;只改变孔在物、像间的位置,即同时改变像距和物距等等,都是确定一个因素作为研究对象,而将其他因素控制不变的实验方法,至今仍为物理教学广泛采用。
经过一系列的周密的观察实验以后,赵友钦指出:“凡景近窍者狭,景远窍者广;烛远窍者景亦狭,烛近窍者景亦广。景广则淡,景狭则浓。烛虽近而光衰者,景亦淡,烛虽远而光盛者,景亦浓。由是察之,烛也,光也,窍也,景也,四者消长胜负,皆所当论者也。”赵友钦的这种正确科学论断,西方直到16世纪末才由开普勒得出,比我国晚了300年。
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