《市南物理》系列专题：科普读物（中国古今物理成就和应用）（9）

2022年“十四五”的开局年，随着“双减政策”的出台，新的课程标准的颁布，为了“让核心素养落地”，市南初中物理学科的骨干老师会陆续为老师和同学们推出系列专题，使我们义务教育阶段物理学科的教与学能够紧跟时代发展要求。“市南物理”专栏会在青岛市初中物理微教研公众平台中与大家见面，希望能与老师和同学们有更深入的交流和探讨！

简介——

市南区共有12所初中学校，万余名初中学生，80余名物理教师。区域中学生整体素质好，不同学生各有所长，适应未来发展能力强；物理教师教育理念先进，队伍梯队发展均衡，名师和骨干教师占比过半；学科教研氛围浓厚，师生有强烈的终身学习意识。

PART02.

科普读物

>>中国古今物理成就和应用<<

中国古代对摩擦起电的研究

撰稿:青岛7中物理组  丁伟力

编辑审阅： 陈翠玉

中国古代著名的易学珍宝：太极八卦图，由八种基本图形和两条黑白的“阴阳鱼”组成，极为简单，却蕴含了天地人神的重大规律，阐明了宇宙由无极而太极，以至万物化生的过程，让后人受用无尽。

在数学家莱布尼茨眼里，太极八卦图中的“阴”与“阳”就是二进制的中国版。

当人类走进电的世界时发现，电荷里阴阳的法则也印证在太极八卦图中。

中国是世界文明古国之一，中国古人在静电、雷电方面的知识与技术成就远远走在欧洲人前面，在世界物理学史中占有极为重要的地位。

我国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年以前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“电”字。

一、中国古代对摩擦起电的认识

在我国，对摩擦起电现象的记述颇丰，琥珀和玳瑁是古代人最早发现具有摩擦起电性质的两种物体。早在西汉，《春秋纬》中就载有“瑇瑁（玳瑁）吸衤若（细小物体）”。东汉时期，王充在论衡中进一步记述了这种现象《论衡》中也有“顿牟掇芥”，这里的顿牟也是指玳瑁。

琥珀，是一种透明的树脂化石，绝缘性能很好。玳瑁，是类似龟的海生爬行动物，其甲壳也叫玳瑁。从新石器时代起，人们已将琥珀当作装饰品之一；东汉时期，琥珀被雕成玩赏之物，因此在文字记载它的摩擦起电现象之前很久，人们就发现了它的类似性质。琥珀从魏晋时期已成为中药材之一，因此药物学家都以布摩擦琥珀，或以手心摩擦琥珀，看它是否能吸起草屑而检验琥珀的真假。南朝陶弘景知道“惟以手心摩热拾芥为真”，南北朝时的雷敩在《炮炙论》中有“琥珀如血色，以布拭热，吸得芥子者真也”记载。这是初步的电学知识的实际应用。

其实，我国古代典籍中关于摩擦起电的记载还有很多。如，据宋代的张邦基《墨庄漫录》记载：孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑（可制香料的有机化合物碎屑）。“皇宫中每幸诸阁，掷龙脑以辟（避）秽。过则以翠羽扫之，皆聚，无有遗者”。

二、中国古代对静电放电现象的认识

《淮南子•坠形训》认为：“阴阳相搏为雷，激扬为电”，明代刘基说得更为明确：“雷者，天气郁激而发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。

摩擦起电在一定条件下，能够发生火星，并伴随轻微的声响。这种称为“电致发光”的现象，在古代也时有发现与记录。西晋张华（232~300）《博物志》记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象：“今人梳头，脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声”。这里记载了两个现象，一个是黑夜用梳子梳头，发现梳齿尖端的放电亮光，并听到微弱的放电爆声；另一个是黑夜猛地解脱衣服（毛皮或丝绸质料），也能看到闪光和听见声音。明代人对后一个现象做了详细记录。张居正（公元1525～1582年）说“凡貂裘及绮丽（即绫罗绸缎）皆有光。余每于东冬月胜寒时，衣上常有火光，振之迸炸有声，如花火之状。”（《张文忠公全集·文集第一一》）。中国是丝绸的故乡，古代人对这类静电现象无疑是非常熟悉的。除此之外，宋代人发现孔雀毛静电感应现象，用这种羽毛做掸子，灰尘不飞扬。

雷电是古代人熟悉的又一种电现象。阴雨天，大气电场增强，当局部场强达到击穿空气的电位差时，就会放电发光。雷电发生在云内、云际、云空之间和天地之间。东汉王充说：“云雨至则雷电击”（《论衡·雷虚篇》）就明确地提出云雨与雷电的关系。人们常看到的雷电是线状闪电，比较罕见的是联珠闪电和球状闪电。明代张居正记述了后一种现象：某日“天微雨，忽有流火如球，其色绿，后有小火点随之，从雨中冉冉腾过予宅，坠于厨房水缸之中，其光如月，厨中人惊视之，遂不见。”（《张文忠公全集·文集第一一》），这是同时出现的球状闪电和联珠状闪电，张居正记下了火球的颜色、大小、形状、出现的时间和定性的漂移速度，观察和记录都很细致。

发生雷电的大气电场是相当高的，但是当大气中有尖锐导体存在时，电光可以在较弱的大气电场生发生，形成所谓“尖端放电”现象。古代的兵器如矛、戈、戟等，都有尖利的锋刃，有些兵器连柄也是金属的。从公元前后起，我国就有关于尖端放电的记载。《汉书·西域传》曾记述：原始年间（公元1～5年），汉朝廷为开辟通往玉门关的近道，与当地车师后王国（国王叫姑句）发生一场小小战争。在那日夜备战的时刻，士兵们看到“姑句家矛端生火”。据干宝《搜神记》卷七载，永兴元年（公元304年），成都王发动叛乱，阵兵邺城，夜里“戟锋皆有火光，遥望如悬烛。”此外，古代许多关于塔尖尖顶放电现象的记载也属尖端放电一类。

雷与电实际上是同属大气放电的两种物理现象：声和光。因为光速远大于声速，所以人们总是先看见闪电亮光，然后才听到放电声音。古代人对这两种现象都做了忠实记载，如《南齐书·五行志》说，“十月庚戌，电光，有顷雷鸣，久而止。”在历代史书中这种记录随手可拾。

在科学史上颇有意义的是，汉代王充曾以雷电烧焦人的头发、皮肤、草木等五个例子来证明雷电的本质是火（《论衡·雷虚篇》）。18世纪美国富兰克林（公元1706～1790年）曾冒着生命危险证明天上雷电与地上琥珀电是一致的，它们都是火。富兰克林的论证方式及论证证据，几乎都与王充相同。

三、中国古代的避雷装置

聪慧的中国人民在很久以前就已经不自觉地使用了避雷技术。许许多多的中国古代建筑历经千年沧桑后依然岿然屹立，这在很大程度上归功于中国古建筑上的避雷技术。古塔是我国现存最有特色的古建筑，它们也是我国古建筑避雷技术的最好见证。

中国的塔平面多为方形和八角形，塔顶尖尖，高耸入云，最容易遭遇雷击，但为什么许多古塔却能完好地保存至今呢？这当然不是因为雷电的特殊照顾，而是古塔在雷电来临时，能自动消除雷灾。

关于古塔避雷的记载在历史上曾多次出现。1611年的一个夏夜，浙江嘉兴的东塔大放金光，宛如四散的流星。1960年的一个夜晚，雷声大作，人们发现浙江杭州的六和塔塔顶尖端连续发光。这些都是古塔放电现象，放电以后，雷灾就消除了。上面提及的这些古建筑，虽然没有避雷针，却都装有消雷、防雷的设备。最常见的避雷设备就是塔刹，根据目前的考古发现，早在三国时期，我国就发明了塔刹。建成于229年的位于江苏高淳县的保圣寺塔，塔高31米，塔顶有一装饰，高约4米，由覆钵、相轮和宝葫芦等组成，这就是塔刹。这种塔刹就是人们常说的“葫芦串”，它实际上是一个避雷装置。正是由于安装有“葫芦串”，才使得这座古塔历经2000多年而未遭受雷击。 

关于中国古建筑的避雷技术，最完整的文字记述源于《中国札记》一书，该书是法国旅行家戴马甘兰于1688年写成的。书中有这样的记述：“中国屋宇的屋脊两头各有一个高高仰起的龙头作装饰，龙口里的一条金属舌头曲折地伸向天空。舌根连着的一根金属丝是同地面相接的，这种装置非常奇妙，因为当碰上雷雨天气的时候，它可以使雷电从龙舌沿铁丝跑到地下，避免建筑物被雷电击毁。”这位法国人说的“龙头”，就是我国史书中记载的“鸱尾”。相传，汉代的时候，未央宫遭雷击失火，有人向汉武帝建议，在宫殿的屋脊上安装一些能消灭火灾的鸱鱼。于是，就有这种叫做“鸱吻”或“鸱尾”的金属饰物出现在后来的宫殿和民房的屋脊两头。“鸱吻”并不仅限于龙头，还有鱼、雄鸡等各种式样。很遗憾，这些鸱尾与大地间并没有金属线相连，这位法国旅行家却以自己的想象和观察，想当然地认为它应该是同西方的避雷针相似的装置。但到底是不是真像他说的那样呢？目前我国的有关专家还没有找到真实可靠的证据，没有定论，但是遍布祖国各地的古代建筑群却向世人证明：中国古代的劳动人民在同自然作斗争的过程中创造了人类的奇迹。

近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的，我国古代学者对电的研究，大大地丰富了人们对电的认识。

转自： 青岛市初中物理微教研

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