淺談中國古代玩具中的物理現象

曾治琳

摘 要：中國玩具的歷史源遠流長，最早可追溯到原始社會。玩具是在人類社會活動的基礎上創作而成的，符合人類生活中對娛樂的需求，在一定程度上反映了社會生活狀態。作為玩具，應具有寓教于樂的功能，在物理學知識自古就應用甚廣的中國，即使小小的玩具中也暗藏玄機，飲水鳥、走馬燈、公道杯等都向我們訴說著不同的物理現象。下文將通過分析部分古代玩具的原理，深層次探討其應用的物理現象。

關鍵詞：中國古代；玩具；物理現象；探討分析

中圖分類號：O4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0209-02

提到玩具，我們總會產生許多聯想，它伴隨著我們每個人的童年生活，豐富著兒童的視野，玩具中蘊含的各種知識也可以加強我們對學習書本上的了解，對我們的生活學習起著重要的作用。其實玩具不僅存在于我們現代社會，早在中國古代就有玩具的廣泛存在，古人依靠自己的智慧，創造出了各式各樣的玩具，包括魔壺、公道杯等，它們在古人的生活工作之余起著重要的作用。下文從物理的角度分析中國古代玩具的諸多內涵，探討物理知識在古代玩具中的應用。并給出玩具的獨特意義所在。

1 飲水鳥

飲水鳥是我國古代的一種益智類的玩具，它的神奇之處讓偉大的科學家愛因斯坦都深表驚嘆。飲水鳥由一根玻璃管和上下兩個較薄玻璃球組成，兩個玻璃球分別作為飲水鳥的頭和軀體，并且內部裝有乙醚類的易揮發液體，玻璃管與兩個玻璃球相互連通，構成一個較為密閉的容器。同時鳥的四周包有一層比較容易吸水的棉布，在正常的狀態下，鳥的身體會略微前傾。因為乙醚較容易揮發，所以當飲水鳥的頭部浸水時，布上的水就會蒸發吸收大量熱量，從而使其頭部的乙醚飽和氣在降溫的同時降壓，而這樣又會使得蒸汽相互飽和，最終上下兩個玻璃球的溫差致使飲水鳥產生內部氣壓差，導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，出現飲水狀。當飲水鳥的身體傾到一定程度時，受重力的作用又會回到原始位置，如此進行循環。

在飲水鳥的工作原理中，包含許多物理知識。首先它涉及到能量守恒定律。這個充滿奧秘的冒牌永動機是符合能量守恒的定律的。它的機械能來自于飲水鳥頭部的水蒸發所吸收的周圍空氣的熱量，從而導致內部氣壓產生變化，轉化成了重力勢能。其次是氣體壓強與分子的擴散現象，分子擴散是質量傳遞的一種基本方式。當浸水的上球在水分的蒸發后帶走熱量，上面玻璃球內部的氣體就會冷卻，分子數量相應的減少，導致壓強相對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，壓強越小，分子擴散系數即分子的擴散能力越強，這使得下面玻璃球中的液體沿著玻璃管上升，使得重心發生變化。此外還有物態的變化等物理現象，具體表現為吸熱、放熱和蒸發，蒸發速度的加快會使飲水鳥飲水的次數增多，玻璃球內液體的不同會產生不同程度的吸熱、放熱與蒸發，帶來不同的效果等。這些不同的物理現象在古代玩具中表現的淋漓盡致，給我們帶來了不同的思考。

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”，走馬燈的發明對于現代噴氣式飛機發動機起到了借鑒作用。走馬燈首先需要用牛皮紙做風車的葉片，在葉片的中心用細鐵絲勾住，并將鐵絲的上段部分用細線掛在鐵架臺上，在使用彩色的紙圍繞風車葉片的直徑做成圓柱，將圓柱粘在紙風車上。在走馬燈之下點燃酒精燈，會看到走馬燈轉動起來。

走馬燈中的物理現象表現為對熱能知識的使用，當走馬燈的燈亮時，就會產生一定的熱能，這些產生的微弱熱能以及熱氣流會帶動走馬燈葉片的轉動，再帶動整個走馬燈的整體的旋轉。

3 公道杯

公道杯這一古代玩具中也存在著豐富的物理現象，它主要采用的是物理知識中流體力學方面的內容，當向公道杯中倒入水時，五成滿的水時是不會流出，當七成滿時會發現也不會有任何實質性變化，而當馬上公道杯中的水達到十成滿時會發現有一股細長的水流從杯子底部的小孔中迅速流出。公道杯最早發明于我國的宋代，以此來勸誡一些貪杯的人。

公道杯的設計過程中巧妙的運用了物理知識中的流體力學的虹吸原理，當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，使用時管內首先充滿液體。公道杯里面和外面兩孔是相連的，當杯中的水低于或平于小圓突點時，水不能漫過彎道而泄流，當超過小圓突點時，就會產生一定的壓力，使其通過虹吸的原理導致水流流出公道杯。

4 魔壺

說起魔壺，首先要說一下倒流壺，它的壺身是桃子形狀的，頂部密封沒有壺蓋，將壺倒置，下面會有一個黃豆大小的孔洞，孔洞與壺內的隔水管相互連接，水可以從孔洞中灌進去，從而流到隔水管外的空間。因為壺嘴的位置設有擋板，所以注水時可以保證壺嘴不出水。注完水后，再將壺倒過來，此時又由于隔水管上端高于壺內的水位，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壺膽，兩個壺膽分別有不同的入口，但是共用于一個出口，當兩個壺膽盛有不同的酒時，按住一個入口，另一種酒就會從出口倒出，加入壺中有多個膽，就可以倒出多中酒類。魔壺中運用的是物理中氣壓的原理，采用不同的大氣壓產生不同的效果。

5 竹蜻蜓

說到竹蜻蜓，這種古代玩具現如今也可以看到，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，當玩耍的時候，用手用力搓竹竿，葉片就會升起來，從遠處看竹蜻蜓，好似一只活靈活現的真正的蜻蜓，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小”的原理，通過產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。相傳在明朝時期竹蜻蜓傳到法國，并稱之為“中國陀螺”，飛機的發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古代被廣泛玩耍的玩具之一，在四五千年前的新石器時代就有石質陀螺的出現，陀螺的物理現象表現在其轉動的過程中，當陀螺不轉的時候，由于重心的原因常常會向一側偏轉，而在轉動的過程中，陀螺會由于重心偏轉而沿圓周轉動，這樣就不會倒下，因此陀螺轉的越快越不容易倒下。

在陀螺的高速運轉中，無論地面是否平整，陀螺都會轉的十分穩，保持轉軸方向不變，這在物理學中采用的是“定軸性”的原理，使用這種特點可以用來指示方向。當前陀螺運用廣泛，尤其在導航上，它已經不僅僅是一種古代的玩具，更是“指南針”式的工具。

因為陀螺的運動由兩個運動合成：繞中軸的自轉和中軸繞垂線的反向圓錐運動。選取陀螺上最靠近中垂線（圖中和平面垂直那條線）的一個質點和最遠離中垂線的一個質點最為參考，反向的圓錐運動使得兩個質點一個加速另一個減速，因此造成水平上的離心力不平衡！通過上述對飲水鳥、走馬燈、公道杯、魔壺、竹蜻蜓以及陀螺等古代玩具的介紹，以及這些玩具中蘊藏的物理原理，我們可以發現物理現象其實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余生活的同時，會是人們得到諸多的啟示。玩具發展到今天，我們不能單單只將其當做娛樂工具，更要發揮玩具的教育意義，有意識的選擇益智類的玩具，活動兒童的大腦，培養其動手的能力，讓玩具中的科學走入我們的日常生活，在學習之余輕松的掌握書本知識，增強對物理的理解能力。其次，在原有玩具的基礎之上，可以使兒童模仿制造，并進行大膽的創新，豐富視野，發揮玩具的獨特作用。

參考文獻：

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

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

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

[4]江德斌.“太空授課”重在激發好奇心和創新力[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].高分子化學與物理，合肥工業大學.2012（學位年度）.

[6]陳釗.永磁直流電機換向及其相關問題的研究，電氣工程[J].哈爾濱工業大學，2010（學位年度）.

[7]華麗娟.關于生活中物理現象與新課程高中物理教學銜接的探討.考試周刊，2013年22期.