浅谈中国古代玩具中的物理现象

曾治琳

摘 要：中国玩具的历史源远流长，最早可追溯到原始社会。玩具是在人类社会活动的基础上创作而成的，符合人类生活中对娱乐的需求，在一定程度上反映了社会生活状态。作为玩具，应具有寓教于乐的功能，在物理学知识自古就应用甚广的中国，即使小小的玩具中也暗藏玄机，饮水鸟、走马灯、公道杯等都向我们诉说着不同的物理现象。下文将通过分析部分古代玩具的原理，深层次探讨其应用的物理现象。

关键词：中国古代；玩具；物理现象；探讨分析

中图分类号：O4 文獻标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0209-02

提到玩具，我们总会产生许多联想，它伴随着我们每个人的童年生活，丰富着儿童的视野，玩具中蕴含的各种知识也可以加强我们对学习书本上的了解，对我们的生活学习起着重要的作用。其实玩具不仅存在于我们现代社会，早在中国古代就有玩具的广泛存在，古人依靠自己的智慧，创造出了各式各样的玩具，包括魔壶、公道杯等，它们在古人的生活工作之余起着重要的作用。下文从物理的角度分析中国古代玩具的诸多内涵，探讨物理知识在古代玩具中的应用。并给出玩具的独特意义所在。

1 饮水鸟

饮水鸟是我国古代的一种益智类的玩具，它的神奇之处让伟大的科学家爱因斯坦都深表惊叹。饮水鸟由一根玻璃管和上下两个较薄玻璃球组成，两个玻璃球分别作为饮水鸟的头和躯体，并且内部装有乙醚类的易挥发液体，玻璃管与两个玻璃球相互连通，构成一个较为密闭的容器。同时鸟的四周包有一层比较容易吸水的棉布，在正常的状态下，鸟的身体会略微前倾。因为乙醚较容易挥发，所以当饮水鸟的头部浸水时，布上的水就会蒸发吸收大量热量，从而使其头部的乙醚饱和气在降温的同时降压，而这样又会使得蒸汽相互饱和，最终上下两个玻璃球的温差致使饮水鸟产生内部气压差，导致下球的液体在气压作用下上升，饮水鸟重心的上移，致使原有平衡被打破，鸟身随上升的乙醚液体前倾，使得饮水鸟嘴部接触液体，出现饮水状。当饮水鸟的身体倾到一定程度时，受重力的作用又会回到原始位置，如此进行循环。

在饮水鸟的工作原理中，包含许多物理知识。首先它涉及到能量守恒定律。这个充满奥秘的冒牌永动机是符合能量守恒的定律的。它的机械能来自于饮水鸟头部的水蒸发所吸收的周围空气的热量，从而导致内部气压产生变化，转化成了重力势能。其次是气体压强与分子的扩散现象，分子扩散是质量传递的一种基本方式。当浸水的上球在水分的蒸发后带走热量，上面玻璃球内部的气体就会冷却，分子数量相应的减少，导致压强相对于代表饮水鸟身体的下玻璃球变小。由菲克定律可知，一定条件下，压强越小，分子扩散系数即分子的扩散能力越强，这使得下面玻璃球中的液体沿着玻璃管上升，使得重心发生变化。此外还有物态的变化等物理现象，具体表现为吸热、放热和蒸发，蒸发速度的加快会使饮水鸟饮水的次数增多，玻璃球内液体的不同会产生不同程度的吸热、放热与蒸发，带来不同的效果等。这些不同的物理现象在古代玩具中表现的淋漓尽致，给我们带来了不同的思考。

2 走马灯

走马灯也是一种古代较为有趣的玩具，它又叫“马骑灯”，走马灯的发明对于现代喷气式飞机发动机起到了借鉴作用。走马灯首先需要用牛皮纸做风车的叶片，在叶片的中心用细铁丝勾住，并将铁丝的上段部分用细线挂在铁架台上，在使用彩色的纸围绕风车叶片的直径做成圆柱，将圆柱粘在纸风车上。在走马灯之下点燃酒精灯，会看到走马灯转动起来。

走马灯中的物理现象表现为对热能知识的使用，当走马灯的灯亮时，就会产生一定的热能，这些产生的微弱热能以及热气流会带动走马灯叶片的转动，再带动整个走马灯的整体的旋转。

3 公道杯

公道杯这一古代玩具中也存在着丰富的物理现象，它主要采用的是物理知识中流体力学方面的内容，当向公道杯中倒入水时，五成满的水时是不会流出，当七成满时会发现也不会有任何实质性变化，而当马上公道杯中的水达到十成满时会发现有一股细长的水流从杯子底部的小孔中迅速流出。公道杯最早发明于我国的宋代，以此来劝诫一些贪杯的人。

公道杯的设计过程中巧妙的运用了物理知识中的流体力学的虹吸原理，当水从高处通过一条拱起的弯管，先向上再向下流到低处，因其弯管要呈倒U字形且一端比较长，使用时管内首先充满液体。公道杯里面和外面两孔是相连的，当杯中的水低于或平于小圆突点时，水不能漫过弯道而泄流，当超过小圆突点时，就会产生一定的压力，使其通过虹吸的原理导致水流流出公道杯。

4 魔壶

说起魔壶，首先要说一下倒流壶，它的壶身是桃子形状的，顶部密封没有壶盖，将壶倒置，下面会有一个黄豆大小的孔洞，孔洞与壶内的隔水管相互连接，水可以从孔洞中灌进去，从而流到隔水管外的空间。因为壶嘴的位置设有挡板，所以注水时可以保证壶嘴不出水。注完水后，再将壶倒过来，此时又由于隔水管上端高于壶内的水位，所以仍旧滴水不漏。它最早在游牧民族中广泛使用，采用物理学的“连通器液面等高”的原理。

而魔壶，原名叫“鸳鸯壶”，它可以倒出两种不同的液体，原由就是魔壶中有两个壶胆，两个壶胆分别有不同的入口，但是共用于一个出口，当两个壶胆盛有不同的酒时，按住一个入口，另一种酒就会从出口倒出，加入壶中有多个胆，就可以倒出多中酒类。魔壶中运用的是物理中气压的原理，采用不同的大气压产生不同的效果。

5 竹蜻蜓

说到竹蜻蜓，这种古代玩具现如今也可以看到，是我们大众娱乐的工具之一。相传竹蜻蜓在一千四百多年的中国就广泛存在，它是用竹片削成的，竹蜻蜓的叶片比较像螺旋桨，在叶片中间插上一根竹竿，当玩耍的时候，用手用力搓竹竿，叶片就会升起来，从远处看竹蜻蜓，好似一只活灵活现的真正的蜻蜓，也因此而得名。

竹蜻蜓的叶片上下的表面空气的流速是不相同的，它就是利用物理中“流体流速大的地方压强小”的原理，通过产生上下两种不同的压力，作用后形成向上的升力，促使竹蜻蜓飞起来。相传在明朝时期竹蜻蜓传到法国，并称之为“中国陀螺”，飞机的发明者莱特兄弟就曾玩过竹蜻蜓。

6 陀螺

陀螺也是一种在我国古代被广泛玩耍的玩具之一，在四五千年前的新石器时代就有石质陀螺的出现，陀螺的物理现象表现在其转动的过程中，当陀螺不转的时候，由于重心的原因常常会向一侧偏转，而在轉动的过程中，陀螺会由于重心偏转而沿圆周转动，这样就不会倒下，因此陀螺转的越快越不容易倒下。

在陀螺的高速运转中，无论地面是否平整，陀螺都会转的十分稳，保持转轴方向不变，这在物理学中采用的是“定轴性”的原理，使用这种特点可以用来指示方向。当前陀螺运用广泛，尤其在导航上，它已经不仅仅是一种古代的玩具，更是“指南针”式的工具。

因为陀螺的运动由两个运动合成：绕中轴的自转和中轴绕垂线的反向圆锥运动。选取陀螺上最靠近中垂线（图中和平面垂直那条线）的一个质点和最远离中垂线的一个质点最为参考，反向的圆锥运动使得两个质点一个加速另一个减速，因此造成水平上的离心力不平衡！通过上述对饮水鸟、走马灯、公道杯、魔壶、竹蜻蜓以及陀螺等古代玩具的介绍，以及这些玩具中蕴藏的物理原理，我们可以发现物理现象其实广泛存在于我们的生活之中，这些玩具的存在在一定程度上具有非凡的教育意义，在古代它在丰富人们的业余生活的同时，会是人们得到诸多的启示。玩具发展到今天，我们不能单单只将其当做娱乐工具，更要发挥玩具的教育意义，有意识的选择益智类的玩具，活动儿童的大脑，培养其动手的能力，让玩具中的科学走入我们的日常生活，在学习之余轻松的掌握书本知识，增强对物理的理解能力。其次，在原有玩具的基础之上，可以使儿童模仿制造，并进行大胆的创新，丰富视野，发挥玩具的独特作用。

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