淺談中國(guó)古代玩具中的物理現(xiàn)象

曾治琳

摘 要：中國(guó)玩具的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，最早可追溯到原始社會(huì)。玩具是在人類社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)作而成的，符合人類生活中對(duì)娛樂的需求，在一定程度上反映了社會(huì)生活狀態(tài)。作為玩具，應(yīng)具有寓教于樂的功能，在物理學(xué)知識(shí)自古就應(yīng)用甚廣的中國(guó)，即使小小的玩具中也暗藏玄機(jī)，飲水鳥、走馬燈、公道杯等都向我們?cè)V說(shuō)著不同的物理現(xiàn)象。下文將通過分析部分古代玩具的原理，深層次探討其應(yīng)用的物理現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：中國(guó)古代；玩具；物理現(xiàn)象；探討分析

中圖分類號(hào)：O4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）02-0209-02

提到玩具，我們總會(huì)產(chǎn)生許多聯(lián)想，它伴隨著我們每個(gè)人的童年生活，豐富著兒童的視野，玩具中蘊(yùn)含的各種知識(shí)也可以加強(qiáng)我們對(duì)學(xué)習(xí)書本上的了解，對(duì)我們的生活學(xué)習(xí)起著重要的作用。其實(shí)玩具不僅存在于我們現(xiàn)代社會(huì)，早在中國(guó)古代就有玩具的廣泛存在，古人依靠自己的智慧，創(chuàng)造出了各式各樣的玩具，包括魔壺、公道杯等，它們?cè)诠湃说纳罟ぷ髦嗥鹬匾淖饔?。下文從物理的角度分析中?guó)古代玩具的諸多內(nèi)涵，探討物理知識(shí)在古代玩具中的應(yīng)用。并給出玩具的獨(dú)特意義所在。

1 飲水鳥

飲水鳥是我國(guó)古代的一種益智類的玩具，它的神奇之處讓偉大的科學(xué)家愛因斯坦都深表驚嘆。飲水鳥由一根玻璃管和上下兩個(gè)較薄玻璃球組成，兩個(gè)玻璃球分別作為飲水鳥的頭和軀體，并且內(nèi)部裝有乙醚類的易揮發(fā)液體，玻璃管與兩個(gè)玻璃球相互連通，構(gòu)成一個(gè)較為密閉的容器。同時(shí)鳥的四周包有一層比較容易吸水的棉布，在正常的狀態(tài)下，鳥的身體會(huì)略微前傾。因?yàn)橐颐演^容易揮發(fā)，所以當(dāng)飲水鳥的頭部浸水時(shí)，布上的水就會(huì)蒸發(fā)吸收大量熱量，從而使其頭部的乙醚飽和氣在降溫的同時(shí)降壓，而這樣又會(huì)使得蒸汽相互飽和，最終上下兩個(gè)玻璃球的溫差致使飲水鳥產(chǎn)生內(nèi)部氣壓差，導(dǎo)致下球的液體在氣壓作用下上升，飲水鳥重心的上移，致使原有平衡被打破，鳥身隨上升的乙醚液體前傾，使得飲水鳥嘴部接觸液體，出現(xiàn)飲水狀。當(dāng)飲水鳥的身體傾到一定程度時(shí)，受重力的作用又會(huì)回到原始位置，如此進(jìn)行循環(huán)。

在飲水鳥的工作原理中，包含許多物理知識(shí)。首先它涉及到能量守恒定律。這個(gè)充滿奧秘的冒牌永動(dòng)機(jī)是符合能量守恒的定律的。它的機(jī)械能來(lái)自于飲水鳥頭部的水蒸發(fā)所吸收的周圍空氣的熱量，從而導(dǎo)致內(nèi)部氣壓產(chǎn)生變化，轉(zhuǎn)化成了重力勢(shì)能。其次是氣體壓強(qiáng)與分子的擴(kuò)散現(xiàn)象，分子擴(kuò)散是質(zhì)量傳遞的一種基本方式。當(dāng)浸水的上球在水分的蒸發(fā)后帶走熱量，上面玻璃球內(nèi)部的氣體就會(huì)冷卻，分子數(shù)量相應(yīng)的減少，導(dǎo)致壓強(qiáng)相對(duì)于代表飲水鳥身體的下玻璃球變小。由菲克定律可知，一定條件下，壓強(qiáng)越小，分子擴(kuò)散系數(shù)即分子的擴(kuò)散能力越強(qiáng)，這使得下面玻璃球中的液體沿著玻璃管上升，使得重心發(fā)生變化。此外還有物態(tài)的變化等物理現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為吸熱、放熱和蒸發(fā)，蒸發(fā)速度的加快會(huì)使飲水鳥飲水的次數(shù)增多，玻璃球內(nèi)液體的不同會(huì)產(chǎn)生不同程度的吸熱、放熱與蒸發(fā)，帶來(lái)不同的效果等。這些不同的物理現(xiàn)象在古代玩具中表現(xiàn)的淋漓盡致，給我們帶來(lái)了不同的思考。

2 走馬燈

走馬燈也是一種古代較為有趣的玩具，它又叫“馬騎燈”，走馬燈的發(fā)明對(duì)于現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起到了借鑒作用。走馬燈首先需要用牛皮紙做風(fēng)車的葉片，在葉片的中心用細(xì)鐵絲勾住，并將鐵絲的上段部分用細(xì)線掛在鐵架臺(tái)上，在使用彩色的紙圍繞風(fēng)車葉片的直徑做成圓柱，將圓柱粘在紙風(fēng)車上。在走馬燈之下點(diǎn)燃酒精燈，會(huì)看到走馬燈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

走馬燈中的物理現(xiàn)象表現(xiàn)為對(duì)熱能知識(shí)的使用，當(dāng)走馬燈的燈亮?xí)r，就會(huì)產(chǎn)生一定的熱能，這些產(chǎn)生的微弱熱能以及熱氣流會(huì)帶動(dòng)走馬燈葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)整個(gè)走馬燈的整體的旋轉(zhuǎn)。

3 公道杯

公道杯這一古代玩具中也存在著豐富的物理現(xiàn)象，它主要采用的是物理知識(shí)中流體力學(xué)方面的內(nèi)容，當(dāng)向公道杯中倒入水時(shí)，五成滿的水時(shí)是不會(huì)流出，當(dāng)七成滿時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)也不會(huì)有任何實(shí)質(zhì)性變化，而當(dāng)馬上公道杯中的水達(dá)到十成滿時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)有一股細(xì)長(zhǎng)的水流從杯子底部的小孔中迅速流出。公道杯最早發(fā)明于我國(guó)的宋代，以此來(lái)勸誡一些貪杯的人。

公道杯的設(shè)計(jì)過程中巧妙的運(yùn)用了物理知識(shí)中的流體力學(xué)的虹吸原理，當(dāng)水從高處通過一條拱起的彎管，先向上再向下流到低處，因其彎管要呈倒U字形且一端比較長(zhǎng)，使用時(shí)管內(nèi)首先充滿液體。公道杯里面和外面兩孔是相連的，當(dāng)杯中的水低于或平于小圓突點(diǎn)時(shí)，水不能漫過彎道而泄流，當(dāng)超過小圓突點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，使其通過虹吸的原理導(dǎo)致水流流出公道杯。

4 魔壺

說(shuō)起魔壺，首先要說(shuō)一下倒流壺，它的壺身是桃子形狀的，頂部密封沒有壺蓋，將壺倒置，下面會(huì)有一個(gè)黃豆大小的孔洞，孔洞與壺內(nèi)的隔水管相互連接，水可以從孔洞中灌進(jìn)去，從而流到隔水管外的空間。因?yàn)閴刈斓奈恢迷O(shè)有擋板，所以注水時(shí)可以保證壺嘴不出水。注完水后，再將壺倒過來(lái)，此時(shí)又由于隔水管上端高于壺內(nèi)的水位，所以仍舊滴水不漏。它最早在游牧民族中廣泛使用，采用物理學(xué)的“連通器液面等高”的原理。

而魔壺，原名叫“鴛鴦壺”，它可以倒出兩種不同的液體，原由就是魔壺中有兩個(gè)壺膽，兩個(gè)壺膽分別有不同的入口，但是共用于一個(gè)出口，當(dāng)兩個(gè)壺膽盛有不同的酒時(shí)，按住一個(gè)入口，另一種酒就會(huì)從出口倒出，加入壺中有多個(gè)膽，就可以倒出多中酒類。魔壺中運(yùn)用的是物理中氣壓的原理，采用不同的大氣壓產(chǎn)生不同的效果。

5 竹蜻蜓

說(shuō)到竹蜻蜓，這種古代玩具現(xiàn)如今也可以看到，是我們大眾娛樂的工具之一。相傳竹蜻蜓在一千四百多年的中國(guó)就廣泛存在，它是用竹片削成的，竹蜻蜓的葉片比較像螺旋槳，在葉片中間插上一根竹竿，當(dāng)玩耍的時(shí)候，用手用力搓竹竿，葉片就會(huì)升起來(lái)，從遠(yuǎn)處看竹蜻蜓，好似一只活靈活現(xiàn)的真正的蜻蜓，也因此而得名。

竹蜻蜓的葉片上下的表面空氣的流速是不相同的，它就是利用物理中“流體流速大的地方壓強(qiáng)小”的原理，通過產(chǎn)生上下兩種不同的壓力，作用后形成向上的升力，促使竹蜻蜓飛起來(lái)。相傳在明朝時(shí)期竹蜻蜓傳到法國(guó)，并稱之為“中國(guó)陀螺”，飛機(jī)的發(fā)明者萊特兄弟就曾玩過竹蜻蜓。

6 陀螺

陀螺也是一種在我國(guó)古代被廣泛玩耍的玩具之一，在四五千年前的新石器時(shí)代就有石質(zhì)陀螺的出現(xiàn)，陀螺的物理現(xiàn)象表現(xiàn)在其轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，當(dāng)陀螺不轉(zhuǎn)的時(shí)候，由于重心的原因常常會(huì)向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，而在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，陀螺會(huì)由于重心偏轉(zhuǎn)而沿圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就不會(huì)倒下，因此陀螺轉(zhuǎn)的越快越不容易倒下。

在陀螺的高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，無(wú)論地面是否平整，陀螺都會(huì)轉(zhuǎn)的十分穩(wěn)，保持轉(zhuǎn)軸方向不變，這在物理學(xué)中采用的是“定軸性”的原理，使用這種特點(diǎn)可以用來(lái)指示方向。當(dāng)前陀螺運(yùn)用廣泛，尤其在導(dǎo)航上，它已經(jīng)不僅僅是一種古代的玩具，更是“指南針”式的工具。

因?yàn)橥勇莸倪\(yùn)動(dòng)由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成：繞中軸的自轉(zhuǎn)和中軸繞垂線的反向圓錐運(yùn)動(dòng)。選取陀螺上最靠近中垂線（圖中和平面垂直那條線）的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)和最遠(yuǎn)離中垂線的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)最為參考，反向的圓錐運(yùn)動(dòng)使得兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)一個(gè)加速另一個(gè)減速，因此造成水平上的離心力不平衡！通過上述對(duì)飲水鳥、走馬燈、公道杯、魔壺、竹蜻蜓以及陀螺等古代玩具的介紹，以及這些玩具中蘊(yùn)藏的物理原理，我們可以發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象其實(shí)廣泛存在于我們的生活之中，這些玩具的存在在一定程度上具有非凡的教育意義，在古代它在豐富人們的業(yè)余生活的同時(shí)，會(huì)是人們得到諸多的啟示。玩具發(fā)展到今天，我們不能單單只將其當(dāng)做娛樂工具，更要發(fā)揮玩具的教育意義，有意識(shí)的選擇益智類的玩具，活動(dòng)兒童的大腦，培養(yǎng)其動(dòng)手的能力，讓玩具中的科學(xué)走入我們的日常生活，在學(xué)習(xí)之余輕松的掌握書本知識(shí)，增強(qiáng)對(duì)物理的理解能力。其次，在原有玩具的基礎(chǔ)之上，可以使兒童模仿制造，并進(jìn)行大膽的創(chuàng)新，豐富視野，發(fā)揮玩具的獨(dú)特作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]季倬.對(duì)"氣壓類科學(xué)玩具"課程化的研究——科學(xué)玩具物理教育功能開發(fā)和研究系列之四[J].物理通報(bào)，2009年10期 .

[2]邱為鋼，陶濤，俞嘉玲.玩具中的物理：鑲嵌雪花片的滾動(dòng)軌跡[J].物理教師，2014年9期.

[3]季倬.對(duì)"碰撞反沖類"科學(xué)玩具課程化的研究——科學(xué)玩具的物理教育功能開發(fā)和研究系列之九[J].物理通報(bào)，2010年5期.

[4]江德斌.“太空授課”重在激發(fā)好奇心和創(chuàng)新力[J].湖南教育（上旬刊），2013年7期.

[5]王中立.浸塑EPVC的高性能化及工藝的研究[J].高分子化學(xué)與物理，合肥工業(yè)大學(xué).2012（學(xué)位年度）.

[6]陳釗.永磁直流電機(jī)換向及其相關(guān)問題的研究，電氣工程[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010（學(xué)位年度）.

[7]華麗娟.關(guān)于生活中物理現(xiàn)象與新課程高中物理教學(xué)銜接的探討.考試周刊，2013年22期.