論《格致匯編》的物理學內容

高 海，呂仕儒

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

論《格致匯編》的物理學內容

高 海，呂仕儒

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

對《格致匯編》中與物理學相關的知識進行了系統的分析整理。在物理學方面，《格致匯編》分別說明了物質形態、物質運動、萬有引力等知識，主要解釋了電學原理，光學原理，還介紹了與物理學相關的一些機械設備。特別是首次集中的對科學儀器的用途、操作、價格進行了說明，推動了我國實驗科學及物理學的發展。

格致匯編；科技傳播；物理學

格致匯編是晚清最早的自然科學雜志，由傳教士傅蘭雅主編，該期刊在當時影響很大，直至20世紀初仍然不斷翻印，對傳播西方近代科學技術發揮了很大作用。

《格致匯編》不但刊登了許多數學、物理學、化學、天文學、地理學、生物學、醫學、藥物學等自然科學基礎知識，而且還刊登了制陶、制皮革、制冰機、造啤酒、造紙、造水泥、造橋梁等工藝技術知識。

在物理學方面，《格致匯編》主要介紹了普通物理學中的力、熱、光、電的知識。當然，它里面有些知識在現代人看來比較簡單，但這在當時卻使人難以理解，這也說明了西方科學知識普及到社會的各個階層。

1 力學知識

創刊伊始，傅蘭雅選擇翻譯了英國的《幼學格致》，在《格致匯編》中稱為《格致略論》，其實際譯自《錢伯斯科學導引》（Chambers's Introduction to Science），原書是英國的初級科學教材，概要介紹西方科學各個學科的基礎知識。《格致略論》連載與第一年的1到12卷，共301節。依次介紹了近代天文學、力學、地質學、地理學、熱學、光學、電學、化學、植物學、動物學和人類學等學科的基本常識。全文語言通俗易懂，很受讀者的歡迎。

在第一年第2卷中，從第30節到49節介紹了力學的知識，也就是《論體質與攝力動力之例》。在30節提出了體質的概念，萬物之體凡為人之五官所能知覺者，皆系數種材料而成，此材料謂之體質。例如地球、空氣、太陽和各種行星。體質也就是現在物質的概念。同時也指出空中各種行星在運動的時候，周圍也有體質，只不過極薄極稀而已。接下來，在以后幾節提出了攝力的概念，也就是萬有引力。指出萬有引力和物體本身的質量有關，質量越大，萬有引力也就越大。萬有引力還和物體間距離的平方成反比。用文字給出了萬有定律的一般概述，舉了許多例子，提出重攝力的方向是指向地心的。文中說天文上是不分上和下的，站在地面的地方，以天為上地為下，而在地球對面所站的人正好與之相反，但他也是以天為上，地為下的。在34節提出了測量萬有引力的儀器紐力秤。繼續介紹了萬有引力在高山和海平面以及兩極和赤道都是不相同的，物體的重心不一定在其正中。提出了黏攝力的定義，流質和定質的黏力是不同的。少量的流質將其分開，任其流動成球形，這就是表面張力作用的結果。例如，水就可以滴成珠形。將此類比宇宙中的各個球體，為什么它們都成圓形，是因為原為流質，然后聚成圓形，經過很長時間，逐漸凝結變硬，變為定質。在攝力的最后一節，指出各種不同的物體由于黏攝力可以黏在一塊。從41節開始講了動力的一些知識，阻力和滯力都是阻礙物體運動的力，運動的物體本來應該永遠運動而不靜止，但最后靜止下來是因為受到阻力和滯力的作用，如果物體不受阻力和滯力的作用，那么物體一定按照原來的速度一直運動下去，這里暗含了牛頓第一定律。提出離心力和向心力，兩者的合力使行星繞太陽做圓軌運動，說明了行星與太陽相距的距離和速率的關系，若增加它們之間的距離那么速率就減少，減少它們的距離速率就增大。在45節和46節描述了慣性定律，如有人在一個船桅上將小物體拋下，它會直向下落在桅桿的根部，并不會因為船的前行而落在船的尾部。有人從快速行駛的車上跳了下來，足先著地而停止，但上半身仍會前行，使人站立不穩。這是因為人從車上跳下的時候，人體仍存在前行之力。

第47節介紹了移動重體的六種助力器，為了便于讀者的理解，文中用了大量的圖。最繁雜的機器也不過是由這六種助力器所組成的。機器能少費財力并多省人工，每造一種汽機能抵數十人或數百人的功率，最大者能有數千馬力，對國家和人民都有益處。從這里我們也可以看出，傅蘭雅對中國人民有很深厚的感情，他一直希望中國可以富強起來。在最后，作者指出若想詳細考究它們，就必須看一些重學專著才會明白。

《論輕氣球》刊載于第一年第三卷，文中論述了輕氣球的原理和用法，以及所用的材料和作用。一般說來，球下有床榻，大的可以容納三人，小的可以容納一人。用放沙的方法能使球體變輕飛騰直上，開球頂之窗可以使球內氣體外泄便于降落，故升和降都可以任意控制。輕氣球可以用于軍事，將球升空探敵虛實，或被圍困時傳遞情報調兵解圍。有許多科學家為了探詢輕氣球的奧妙，獻出了寶貴的生命。在本卷中，還有一篇是《壓水柜》，是運用液體壓強原理做成的，文中一開始說流質各個面任何處加以壓力能自傳便其全體而向各個方向顯出，例如有一個柜子，上面有大小兩個橫截面積不相等的鐵管相連，鐵管的中間有活塞。柜子里面充滿了水，小管的管口面積為一平方寸，大管為十平方寸，那么壓入小管有一磅的力，大管就有十磅的力，小管的活塞向下一寸，大管的活塞就上升十分之一寸。也就是說兩管活塞所受的力和它們的橫截面積成正比。壓水柜就是根據這個道理制造的。比較了壓水柜和汽錘的區別，壓水柜更能使所壓的物體勻和縝密。西國從中國購買棉花，因棉花占地大，運載不太方便，所以用壓水柜將其壓薄，一般是三包可以壓成一包。既方便了運載又節省了費用。在《格致略論》的《論空氣》中，也提到了氣體的壓力。

2 聲學知識

《考正律呂說》刊載于第三年第7卷，是《格致匯編》中關于聲律方面最重要的一篇論文。作者徐壽，字雪村，江蘇無錫人。在傳播西方科學知識、制造槍械、輪船等方面有許多成就。徐壽曾對音律學發生過興趣，后來又對管口校正問題進行了研究。他查閱了歷代有關文獻，做了各種律管實驗，并在朱載堉的思想啟發下，找到了管口校正數。1880年他將他的想法撰文發表在《格致匯編》上，徐壽用實驗證明兩開口管長之比為4：9時，才能吹出相差8度的音，從而糾正了英國物理學家丁鐸爾有關聲學的一個錯誤結論，在文中這樣寫道：“律管之制，以損益相生之數定之，與五聲之高下相較，逐管依級數而逐濁，故至半黃鐘不與正黃鐘相應。自古至今，當有論及者。然究不能發明其所以然。夫五聲原有全級半級之分，乃天籟之自然。如宮至商為全級，而變宮至宮為半級，果能渭濁相葉高下相宜者，無論何種樂器，盡皆如是。唯聲出于實體者，正半相應，故將其全體半之而其聲仍與全體相應也。至于空積所出之聲，則正半不應。故將同徑之管半之，其聲不與全體相應，而成九與四之比例。古來相傳，以弦音與管音相合，則宮應黃鐘，羽應南呂，清宮再應半黃鐘，如此而首音至八音之間自有全級半級之定位。但半黃鐘既不能應黃鐘，而弦音之清宮則與宮相應。兩相齟齬，不相合之理顯然”。[1]

在文章中“級數”即音級，“實體”指弦線式發聲器，“空積”指管樂器。可見，徐壽已經注意到，“聲出于實體者，正半相應”，而“空積所出之聲，則正半不應”。他還明確指出，“同徑之管半之，其聲不與全體相應，而成九與四之比例”。也就是說同徑管之比為9比4即2.25，按朱載堉的寫法可以寫作4比9，即0.4444。徐壽在文中指出了朱載堉的異徑管律，并使用了朱載堉的“倍、正、半”說法，可見他曾受到過朱載堉的影響。朱載堉的成八度的兩支同徑管長度之比為0.4719，兩者的數值非常接近。

然而，徐壽不明白為什么長度成倍半關系的律管不能相諧和？除了八度相和的同徑管成4比9的長度比例外，其他十一律的律管應如何確定其相諧和的長度？所以在文中真誠地申明請教：“所以敢告同志，所有正律半律之不應，實體空積之不同，可擦心得之精微而發明其理，即籍其理而制器，以器證理，以理明器，確有實據而無疑義者，敬以重儀相酬”。徐壽向傅蘭雅請教數次，而傅蘭雅對這個也不太明白，只好寫信去請教英國物理學家丁鐸爾（John Tyndall，1820-1893）。傅蘭雅將徐壽給丁鐸爾的信譯完以后，并以自己的名義于1880年11月25日分別寄給丁鐸爾和英國《自然》（Nature）周刊。1881年3月10日出版的《自然》（Nature）周刊就以《中國聲學》（Acoustics in China）為題刊載了這封信。

《自然》（Nature）周刊的編輯對《中國聲學》這樣寫到：“看來，發現對舊定律（指弦管同律）的真正有科學意義的現代修正卻來自中國，并且以最原始的器具證明該修正是有根據的”。[2]英國的聲學家斯通博士（Dr.W.H.Stone）還為這封信寫下短評，他說“傅蘭雅先生在他的觀察報告中所持的意見是完全正確的。很有意思的是，證實這個鮮為人知的事實（指管口校正一事）卻是來自遙遠的東方，而且是以如此簡單的實驗方法得到的”。徐壽的信是中國學者第一篇也是該時期中國唯一的一篇刊載于國外自然科學學報上的學術論文，在國際上引起了很大的反響。

對于徐壽律管實驗以及八度音程的同徑管的長度之比為九比四，并非如弦律之二比一的結論，有人提出了異議。陳正生先生在《康熙十四律乃徐壽“律管試驗”之濫觴》中指出，徐壽的律管試驗，乃是抄襲康熙十四律。因為同徑律管八度長度比為九比四之說，在康熙敕撰的《律呂正義》（1713）中早有記載。在文中說，徐壽大約1870年才對律管發生興趣，其“成果”刊于1880年出版的《格致匯編》，徐壽既然“查閱了歷代有關文獻”，不可能對他所處的那個時代起支配作用的《律呂正義》不細加過目。就根據這一點就認為徐壽的結論不是同《律呂正義》的偶合，乃是抄襲的《律呂正義》的內容，還說徐壽律管實驗是偽科學。[3]我認為這個觀點值得商榷，因為沒有確鑿的證據來證明這個觀點，當徐壽向傅蘭雅請教時，傅蘭雅也不知道，還得向丁鐸爾和英國《自然》周刊請教。但有一點是肯定的，在1881年3月10日出版的《自然》雜志的確刊登了徐壽的文章，該文章發表后，立即引起國際音樂家和聲學家的驚訝和贊嘆。

《格致匯編》在聲學方面還刊登了《傳聲器像聲器》，該文發表在第二年的12卷，主要介紹了中國第一部電話（傳聲器）的制造過程，報道了徐壽第三子徐華封仿制成電話一事。電話是19世紀70年代傳人上海的。用線傳遞聲音的設想在近代以前就已出現。用電線傳遞聲音的設想是法國的布爾瑟在1854年最早提出。1861年，賴斯實驗成功。1876年，英國人貝爾(A.G.Bell，1847-1922)關于制造電話的專利獲得批準。在文中一開始就介紹了電話的發明者是英國人貝爾，他精通聲學和電學，由于對聾啞人的同情，他研究過聽和說的生理功能，后來開始專心研制電話。文中然后說明了電話和電報的區別，指出電報有很大的局限性，只能傳達簡單的信息，而且要譯碼，很不方便。接下來介紹了傳聲器的原理，他把音叉放在帶鐵芯的線圈前，音叉振動引起鐵芯相應運動，產生感應電流，電流信號傳到導線另一頭經過轉換，變成聲信號，隨后，貝爾又把音叉換成能夠隨著聲音振動的金屬片，把鐵芯改作磁棒，經過反復實驗，制成了實用的電話裝置。終于在1876年，貝爾發明了電話，引起全世界的轟動。徐華封從西方報紙上看到電話的示意圖之后，著手仿制，三天就制成了一部電話，不久，又進一步改進，仿制的電話的質量達到了與西方電話相當的水平。在文中的這樣寫到：“徐君祝三曾于日前見西報之傳聲器圖，遂按圖仿造，三日而成。惟初次試驗，十言中辨其八九，間有一二尚須以意度之，然亦不難漸臻美善。待造至再而至三，可與西人并駕齊驅。如更加研究，或可巧出西人之上亦未可知。現有西人請徐君制器一副，即在上海用之。倘徐君能再增新法，則泰西人必航海而來，冀獲觀摩之益也”。[4]從這里也可以看出中國人民的聰明才智。

3 熱學知識

《論熱》分布在《格致略論》中的第95節到105節，對熱進行了介紹，“熱者萬物無不有之，且為極要者也，但熱究為何物，尚未有格致家考其詳也，或以為熱乃極薄而稀之流質，或以為熱乃體質不可少性情，或謂因體之質點恒動而生也。近來格致家多以此恒動之理為可信者。”所有的物體都有熱，熱量可以從高溫物體向低溫物體傳遞，一直到兩者的溫度相等。各種物體的傳熱性能都不相同，例如西國的茶壺是用銀或錫制成的，而它的手柄卻是木頭的。是因為銀或錫易于傳熱，木頭不易傳熱。熱可以直接傳播，也可以借物體相互傳播，如太陽的熱照射街道，路旁的房屋能受其回射之熱。

在文中提出了“隱熱”的概念，一磅的冰塊用寒暑表測溫度是三十二度，將一磅一百七十五度的水倒到冰面，冰融化后，在用寒暑表測仍為三十二度，其中有一百四十三度的熱藏而不顯。這是因為冰塊所收的熱量不能使冰塊更熱，只能使其從定質變為流質而已。這種不顯的熱量就叫隱熱。接著介紹了獲取熱的幾種方法。其一是利用太陽的熱量；其二是焚燒物料；其三是兩種物體相摩如鉆木取火；其四是兩種物體相擊；其五是利用化學反應；其六是自生火，如將棉花或羊毛未全干而包裹裝于船上，出海后包內生熱能自著火。物體受熱會膨脹，水變為汽可以從一立方寸漲至一千七百立方寸，這就是為什么汽機有那么大的力。黑色或表面粗糙的物體比白色或表面平滑的物體更容易吸收和放出熱量。萬物都依靠熱來生存，熱突然加大或減少必然會對人類的生活產生很大的影響。熱現象的研究，首先遇到的就是確定物體的冷熱程度，也就是說測量物體的溫度。測量物體溫度用的就是根據水銀的熱脹冷縮而制成的寒暑表。英美各國以水結冰為三十二度，以水沸騰為二百十二度，叫法倫海表，也稱為華氏溫標。法國所用的是以水沸騰為一百度，水結冰為零度，故為百度表，也稱攝氏溫標。德國所用的是以水沸騰為八十度，雪的熔點為零度，稱勒氏溫標。各個國家的分法都不一樣，在1779年就有19種，但現在保留下來的就是以上3種。

接下來在《論雪與冰及凍冰之理》中闡述了水凍成冰的條件，冰雪雹霜都是由水形成，但它們又有所不同。下雪對農作物的生長是有幫助的。使物體制冷的方法也有好幾種，化學家可配藥材，利用化學反應來制冷。一般來說，常用的制冷方法是將冰擊碎和鹽混合，或者是雪與鹽混合。

4 光學知識

《論光》分布在《格致略論》中的第110節到116節，介紹了光的性質、光的速度、光的反射和折射、光對植物生長的影響。文中對光的性質介紹比較客觀：“光為何物，迄今格致家尚難確言，即熱為何物，亦不能詳知。昔人以為光與熱俱為極薄之流質，近時格致家之意，俱以為光乃由一種氣質之動而生。此氣萬物內無處不有。”文中提到光的速度是每秒十九萬二千英里，也就得到了日光到地球的時間大約為八分鐘。在光的反射中提出反射角與入射角相等。光照射到疏密不相等的透光物體中，光會發生偏行。如將一條直桿的一半插入水中，外觀入水的地方有折形。并且指出光線彎折的角度與物體的疏密程度成比例。太陽光可以通過三棱玻璃，分為七色光。這就證明了太陽光是由七種光組合而成，由于這七種光的折射率不同，所以在三棱鏡中顯為七色。天空中的彩虹也是這個道理。化學家用三棱玻璃來分各種火焰所發出的光，就知道所燒物體是何原質。光可以使許多物質變色，如棉布放置在陽光下變為白色。

《影戲燈說》是刊登在第四年第10卷的一篇文章，影戲燈也就是現在的幻燈機，當時也叫映畫器、取影燈戲、放字鏡等。《光理淺說》是刊登在第七年春季卷的一篇文章，主要介紹了人為什么可以看到光，以及在繪畫的時候應該注意的問題。文章一開始就說了：“光從日發或由亮體射回，入人目達腦衣，則覺為光。如月受日光映回入目，則見為月。”這也就說明了月亮本身并不發光，它是反射太陽的光。光一帶或一線能分七線，各線能使目覺有不同之色，各色并和入目則覺白，白為光之合，而色為光之分。可以用以下實驗可以看出，將七色依次繪于輪邊，速轉輪就可以看到勻和而顯白色，沒有白色則為黑色，因為沒有回光。光分七色可以用三棱鏡看出，在屏上呈現七色，由下而上依次為紅棕黃綠藍青紫，各個色寬寬窄不同。如果將色帶均分為100份，那么紅占11%、棕為8%、黃為14%、綠為17%、藍為17%、青為11%、紫為22%。

5 電學知識

《論電氣與吸鐵氣》分布在《格致略論》的第117節到129節。文中一開始就揭示了摩擦過的琥珀和玻璃會吸引輕小物體，有光亮之氣從體內發出，此氣就叫電氣，但至今尚未有人能全知其理。電氣能遍通萬物，無時不存無處不到。凡體內含電氣過限者有正電氣，如玻璃條以布擦之，則玻璃之電氣過限，即為正電氣，布電氣過少，則為負電氣。有的格致家認為電氣有兩種，一種為玻璃電氣，一種為松香類電氣。還可以分為陰電氣和陽電氣。接下來介紹了萊頓瓶。用一個大口玻璃，瓶外糊錫箔。電氣可以收蓄瓶內，也可以放出傳于各個物體。在它的瓶塞上有一個小銅球，當它蓄有電氣時，一手把瓶一手用手指與球相切，可以發光，人覺電氣入身而顫搐。若將多瓶一塊連起，所放出的電火可以熔金，還可以擊斃一頭大牛。有的物體易于傳電，如金屬和多數的流質。有的物體不易于傳電，如玻璃條和火漆。由于動植物體內有汁或有血，所以也是易于傳電的。空氣極熱時含有電氣過限而有余，欲與他處電氣相平，則從空氣高的地方傳到云中或地內，電氣多則發光，這就是閃電，同時發出大聲那就是雷了。若人或樹木等易傳電的物體在電氣所行路中，則容易被電氣所擊，受其大害。在當時的中國認為打雷是因為雷神發怒了，所以要雷擊人。這為當時人們破除迷信，認識科學做了有益的宣傳。為了防止高大的建筑物被雷擊，人們發明了防雷鐵。利用電氣運動速度極快這一特點，可以在兩地之間以鐵絲或銅絲安電線，令其相通，若在一端通電氣，則另一端立刻就收到，這就是電報。中國內地用電報都得到了好處。電氣還可以用來放炮放水雷，以及用來鍍金。閃電和雷鳴常常在一起出現，一看見閃電就聽到雷聲，說明打雷的地方離地面很近，若看見閃電很長時間才聽到雷聲，則說明打雷的地方離地面很遠。這是因為電光和雷聲在空氣中的傳播速度不一樣。遠處的雷電對人沒有害處，唯有近處的雷電若人在其電氣傳播的路中就有危險了。格致家們認為動物體內存在有“動物電”，有一種電魚，其電力非常大，可以擊死其他魚。電氣和吸鐵氣原來相同，只不過所顯的性情不一樣。磁石不但可以吸引鐵，也可以令鐵有磁性。磁鐵必有一端為正電氣，一端為負電氣，兩端電氣所聚謂之為極點。兩個極點之間有電氣或吸鐵氣恒來往，行循環之路不息。地球也有兩極，分別是北極和南極，將吸鐵條輕懸，那么它一端指北極，一端指南極。文中提出了這樣的疑問：中國在很早以前就根據這個道理發明了指南針。西國用指南針不過四五百年，卻走便了地球所有能到的地方，得到了許多好處。而中國尚不常用，為什么呢？生電氣的方法有數種，有摩擦而成的，有金類交感而成，有吸鐵氣所生電氣還有熱或氣所生的電氣。電氣為萬物之中最靈最巧者，雖然不明白電的全部道理，但可以利用已經明白的，設法得到它的益處。如南針之指迷，電報之捷音，鍍金之利便，治病之奏效，以及燃炮放水雷之穩便，還可以用電氣之力運動機器。

《電氣鍍金》（后名《電氣鍍金略法》）刊登在第三年的前九卷中，是研究我國早期電鍍發展史的重要資科，在電化學領域也有一定的影響。《電學問答》由天津水雷局編譯，全文一共98問，以問答方式，介紹了吸鐵和水雷有關的一些電學知識。《論電》全文一共105問，連載6卷，該文以問答方式，詳細介紹了電的發展、摩擦生電、電的性能、電流、電阻、電壓、金屬導電原理。

對《格致匯編》中物理學內容的全面研究，可以看出物理學知識在整個內容中所占比例頗大，因此物理學內容在整個期刊中的地位不容忽視。《格致匯編》的語言淺顯易懂，并且圖文并茂，易于被廣大讀者接受。文中有意識地介紹科學基礎知識、提高了普通民眾的科學素養。《格致匯編》傳播的這些科技知識確實對中國人具有科學啟蒙的作用，它在潛移默化中影響和改變了部分中國知識分子的觀念和思想。

[1]徐壽.考證律呂說 [J].格致匯編，1880，3（7）：14-15.

[2]戴念祖.中國物理學史大系?聲學史[M].長沙：湖南教育出版社，2001：367.

[3]陳正生.康熙十四律乃徐壽“律管試驗”之濫觴[J].黃鐘——武漢音樂學院學報,1995(1)：35-38.

[4]程端甫.傳聲器、像聲器 [J].格致匯編，1878，2（12）：4-5.

A Study on the Physical Knowledge in the Chinese Scientific and Industrial Magazine

GAO Hai,LV Shi-ru
(School of Physics and Electrocis,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

The author carried on systemic analysis and reorganization to the knowledge related with physics in the Chinese Scientific and Industrial Magazine.In physics,it showed separately the knowledge of material shape,motion of matter,gravitation and so on,mainly explained the electricity principle,optics principle,and introduced some mechanical devices related with the physics.Specially for the first time it concentrated on explaining the scientific instrument's use,the operation and the price,which promoted our country’s scientific experments and physics development.

the Chinese Scientific and Industrial Magazine；spreading of science and technology；physics

O4-09

A

1674-0874(2017)06-0092-05

2017-07-05

高海(1982-)，男，山西應縣人，碩士,講師,研究方向：科學技術史。

〔責任編輯 高海〕