论《格致汇编》的物理学内容

高 海，吕仕儒

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

论《格致汇编》的物理学内容

高 海，吕仕儒

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

对《格致汇编》中与物理学相关的知识进行了系统的分析整理。在物理学方面，《格致汇编》分别说明了物质形态、物质运动、万有引力等知识，主要解释了电学原理，光学原理，还介绍了与物理学相关的一些机械设备。特别是首次集中的对科学仪器的用途、操作、价格进行了说明，推动了我国实验科学及物理学的发展。

格致汇编；科技传播；物理学

格致汇编是晚清最早的自然科学杂志，由传教士傅兰雅主编，该期刊在当时影响很大，直至20世纪初仍然不断翻印，对传播西方近代科学技术发挥了很大作用。

《格致汇编》不但刊登了许多数学、物理学、化学、天文学、地理学、生物学、医学、药物学等自然科学基础知识，而且还刊登了制陶、制皮革、制冰机、造啤酒、造纸、造水泥、造桥梁等工艺技术知识。

在物理学方面，《格致汇编》主要介绍了普通物理学中的力、热、光、电的知识。当然，它里面有些知识在现代人看来比较简单，但这在当时却使人难以理解，这也说明了西方科学知识普及到社会的各个阶层。

1 力学知识

创刊伊始，傅兰雅选择翻译了英国的《幼学格致》，在《格致汇编》中称为《格致略论》，其实际译自《钱伯斯科学导引》（Chambers's Introduction to Science），原书是英国的初级科学教材，概要介绍西方科学各个学科的基础知识。《格致略论》连载与第一年的1到12卷，共301节。依次介绍了近代天文学、力学、地质学、地理学、热学、光学、电学、化学、植物学、动物学和人类学等学科的基本常识。全文语言通俗易懂，很受读者的欢迎。

在第一年第2卷中，从第30节到49节介绍了力学的知识，也就是《论体质与摄力动力之例》。在30节提出了体质的概念，万物之体凡为人之五官所能知觉者，皆系数种材料而成，此材料谓之体质。例如地球、空气、太阳和各种行星。体质也就是现在物质的概念。同时也指出空中各种行星在运动的时候，周围也有体质，只不过极薄极稀而已。接下来，在以后几节提出了摄力的概念，也就是万有引力。指出万有引力和物体本身的质量有关，质量越大，万有引力也就越大。万有引力还和物体间距离的平方成反比。用文字给出了万有定律的一般概述，举了许多例子，提出重摄力的方向是指向地心的。文中说天文上是不分上和下的，站在地面的地方，以天为上地为下，而在地球对面所站的人正好与之相反，但他也是以天为上，地为下的。在34节提出了测量万有引力的仪器纽力秤。继续介绍了万有引力在高山和海平面以及两极和赤道都是不相同的，物体的重心不一定在其正中。提出了黏摄力的定义，流质和定质的黏力是不同的。少量的流质将其分开，任其流动成球形，这就是表面张力作用的结果。例如，水就可以滴成珠形。将此类比宇宙中的各个球体，为什么它们都成圆形，是因为原为流质，然后聚成圆形，经过很长时间，逐渐凝结变硬，变为定质。在摄力的最后一节，指出各种不同的物体由于黏摄力可以黏在一块。从41节开始讲了动力的一些知识，阻力和滞力都是阻碍物体运动的力，运动的物体本来应该永远运动而不静止，但最后静止下来是因为受到阻力和滞力的作用，如果物体不受阻力和滞力的作用，那么物体一定按照原来的速度一直运动下去，这里暗含了牛顿第一定律。提出离心力和向心力，两者的合力使行星绕太阳做圆轨运动，说明了行星与太阳相距的距离和速率的关系，若增加它们之间的距离那么速率就减少，减少它们的距离速率就增大。在45节和46节描述了惯性定律，如有人在一个船桅上将小物体抛下，它会直向下落在桅杆的根部，并不会因为船的前行而落在船的尾部。有人从快速行驶的车上跳了下来，足先着地而停止，但上半身仍会前行，使人站立不稳。这是因为人从车上跳下的时候，人体仍存在前行之力。

第47节介绍了移动重体的六种助力器，为了便于读者的理解，文中用了大量的图。最繁杂的机器也不过是由这六种助力器所组成的。机器能少费财力并多省人工，每造一种汽机能抵数十人或数百人的功率，最大者能有数千马力，对国家和人民都有益处。从这里我们也可以看出，傅兰雅对中国人民有很深厚的感情，他一直希望中国可以富强起来。在最后，作者指出若想详细考究它们，就必须看一些重学专著才会明白。

《论轻气球》刊载于第一年第三卷，文中论述了轻气球的原理和用法，以及所用的材料和作用。一般说来，球下有床榻，大的可以容纳三人，小的可以容纳一人。用放沙的方法能使球体变轻飞腾直上，开球顶之窗可以使球内气体外泄便于降落，故升和降都可以任意控制。轻气球可以用于军事，将球升空探敌虚实，或被围困时传递情报调兵解围。有许多科学家为了探询轻气球的奥妙，献出了宝贵的生命。在本卷中，还有一篇是《压水柜》，是运用液体压强原理做成的，文中一开始说流质各个面任何处加以压力能自传便其全体而向各个方向显出，例如有一个柜子，上面有大小两个横截面积不相等的铁管相连，铁管的中间有活塞。柜子里面充满了水，小管的管口面积为一平方寸，大管为十平方寸，那么压入小管有一磅的力，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。也就是说两管活塞所受的力和它们的横截面积成正比。压水柜就是根据这个道理制造的。比较了压水柜和汽锤的区别，压水柜更能使所压的物体匀和缜密。西国从中国购买棉花，因棉花占地大，运载不太方便，所以用压水柜将其压薄，一般是三包可以压成一包。既方便了运载又节省了费用。在《格致略论》的《论空气》中，也提到了气体的压力。

2 声学知识

《考正律吕说》刊载于第三年第7卷，是《格致汇编》中关于声律方面最重要的一篇论文。作者徐寿，字雪村，江苏无锡人。在传播西方科学知识、制造枪械、轮船等方面有许多成就。徐寿曾对音律学发生过兴趣，后来又对管口校正问题进行了研究。他查阅了历代有关文献，做了各种律管实验，并在朱载堉的思想启发下，找到了管口校正数。1880年他将他的想法撰文发表在《格致汇编》上，徐寿用实验证明两开口管长之比为4：9时，才能吹出相差8度的音，从而纠正了英国物理学家丁铎尔有关声学的一个错误结论，在文中这样写道：“律管之制，以损益相生之数定之，与五声之高下相较，逐管依级数而逐浊，故至半黄钟不与正黄钟相应。自古至今，当有论及者。然究不能发明其所以然。夫五声原有全级半级之分，乃天籁之自然。如宫至商为全级，而变宫至宫为半级，果能渭浊相叶高下相宜者，无论何种乐器，尽皆如是。唯声出于实体者，正半相应，故将其全体半之而其声仍与全体相应也。至于空积所出之声，则正半不应。故将同径之管半之，其声不与全体相应，而成九与四之比例。古来相传，以弦音与管音相合，则宫应黄钟，羽应南吕，清宫再应半黄钟，如此而首音至八音之间自有全级半级之定位。但半黄钟既不能应黄钟，而弦音之清宫则与宫相应。两相龃龉，不相合之理显然”。[1]

在文章中“级数”即音级，“实体”指弦线式发声器，“空积”指管乐器。可见，徐寿已经注意到，“声出于实体者，正半相应”，而“空积所出之声，则正半不应”。他还明确指出，“同径之管半之，其声不与全体相应，而成九与四之比例”。也就是说同径管之比为9比4即2.25，按朱载堉的写法可以写作4比9，即0.4444。徐寿在文中指出了朱载堉的异径管律，并使用了朱载堉的“倍、正、半”说法，可见他曾受到过朱载堉的影响。朱载堉的成八度的两支同径管长度之比为0.4719，两者的数值非常接近。

然而，徐寿不明白为什么长度成倍半关系的律管不能相谐和？除了八度相和的同径管成4比9的长度比例外，其他十一律的律管应如何确定其相谐和的长度？所以在文中真诚地申明请教：“所以敢告同志，所有正律半律之不应，实体空积之不同，可擦心得之精微而发明其理，即籍其理而制器，以器证理，以理明器，确有实据而无疑义者，敬以重仪相酬”。徐寿向傅兰雅请教数次，而傅兰雅对这个也不太明白，只好写信去请教英国物理学家丁铎尔（John Tyndall，1820-1893）。傅兰雅将徐寿给丁铎尔的信译完以后，并以自己的名义于1880年11月25日分别寄给丁铎尔和英国《自然》（Nature）周刊。1881年3月10日出版的《自然》（Nature）周刊就以《中国声学》（Acoustics in China）为题刊载了这封信。

《自然》（Nature）周刊的编辑对《中国声学》这样写到：“看来，发现对旧定律（指弦管同律）的真正有科学意义的现代修正却来自中国，并且以最原始的器具证明该修正是有根据的”。[2]英国的声学家斯通博士（Dr.W.H.Stone）还为这封信写下短评，他说“傅兰雅先生在他的观察报告中所持的意见是完全正确的。很有意思的是，证实这个鲜为人知的事实（指管口校正一事）却是来自遥远的东方，而且是以如此简单的实验方法得到的”。徐寿的信是中国学者第一篇也是该时期中国唯一的一篇刊载于国外自然科学学报上的学术论文，在国际上引起了很大的反响。

对于徐寿律管实验以及八度音程的同径管的长度之比为九比四，并非如弦律之二比一的结论，有人提出了异议。陈正生先生在《康熙十四律乃徐寿“律管试验”之滥觞》中指出，徐寿的律管试验，乃是抄袭康熙十四律。因为同径律管八度长度比为九比四之说，在康熙敕撰的《律吕正义》（1713）中早有记载。在文中说，徐寿大约1870年才对律管发生兴趣，其“成果”刊于1880年出版的《格致汇编》，徐寿既然“查阅了历代有关文献”，不可能对他所处的那个时代起支配作用的《律吕正义》不细加过目。就根据这一点就认为徐寿的结论不是同《律吕正义》的偶合，乃是抄袭的《律吕正义》的内容，还说徐寿律管实验是伪科学。[3]我认为这个观点值得商榷，因为没有确凿的证据来证明这个观点，当徐寿向傅兰雅请教时，傅兰雅也不知道，还得向丁铎尔和英国《自然》周刊请教。但有一点是肯定的，在1881年3月10日出版的《自然》杂志的确刊登了徐寿的文章，该文章发表后，立即引起国际音乐家和声学家的惊讶和赞叹。

《格致汇编》在声学方面还刊登了《传声器像声器》，该文发表在第二年的12卷，主要介绍了中国第一部电话（传声器）的制造过程，报道了徐寿第三子徐华封仿制成电话一事。电话是19世纪70年代传人上海的。用线传递声音的设想在近代以前就已出现。用电线传递声音的设想是法国的布尔瑟在1854年最早提出。1861年，赖斯实验成功。1876年，英国人贝尔(A.G.Bell，1847-1922)关于制造电话的专利获得批准。在文中一开始就介绍了电话的发明者是英国人贝尔，他精通声学和电学，由于对聋哑人的同情，他研究过听和说的生理功能，后来开始专心研制电话。文中然后说明了电话和电报的区别，指出电报有很大的局限性，只能传达简单的信息，而且要译码，很不方便。接下来介绍了传声器的原理，他把音叉放在带铁芯的线圈前，音叉振动引起铁芯相应运动，产生感应电流，电流信号传到导线另一头经过转换，变成声信号，随后，贝尔又把音叉换成能够随着声音振动的金属片，把铁芯改作磁棒，经过反复实验，制成了实用的电话装置。终于在1876年，贝尔发明了电话，引起全世界的轰动。徐华封从西方报纸上看到电话的示意图之后，着手仿制，三天就制成了一部电话，不久，又进一步改进，仿制的电话的质量达到了与西方电话相当的水平。在文中的这样写到：“徐君祝三曾于日前见西报之传声器图，遂按图仿造，三日而成。惟初次试验，十言中辨其八九，间有一二尚须以意度之，然亦不难渐臻美善。待造至再而至三，可与西人并驾齐驱。如更加研究，或可巧出西人之上亦未可知。现有西人请徐君制器一副，即在上海用之。倘徐君能再增新法，则泰西人必航海而来，冀获观摩之益也”。[4]从这里也可以看出中国人民的聪明才智。

3 热学知识

《论热》分布在《格致略论》中的第95节到105节，对热进行了介绍，“热者万物无不有之，且为极要者也，但热究为何物，尚未有格致家考其详也，或以为热乃极薄而稀之流质，或以为热乃体质不可少性情，或谓因体之质点恒动而生也。近来格致家多以此恒动之理为可信者。”所有的物体都有热，热量可以从高温物体向低温物体传递，一直到两者的温度相等。各种物体的传热性能都不相同，例如西国的茶壶是用银或锡制成的，而它的手柄却是木头的。是因为银或锡易于传热，木头不易传热。热可以直接传播，也可以借物体相互传播，如太阳的热照射街道，路旁的房屋能受其回射之热。

在文中提出了“隐热”的概念，一磅的冰块用寒暑表测温度是三十二度，将一磅一百七十五度的水倒到冰面，冰融化后，在用寒暑表测仍为三十二度，其中有一百四十三度的热藏而不显。这是因为冰块所收的热量不能使冰块更热，只能使其从定质变为流质而已。这种不显的热量就叫隐热。接着介绍了获取热的几种方法。其一是利用太阳的热量；其二是焚烧物料；其三是两种物体相摩如钻木取火；其四是两种物体相击；其五是利用化学反应；其六是自生火，如将棉花或羊毛未全干而包裹装于船上，出海后包内生热能自着火。物体受热会膨胀，水变为汽可以从一立方寸涨至一千七百立方寸，这就是为什么汽机有那么大的力。黑色或表面粗糙的物体比白色或表面平滑的物体更容易吸收和放出热量。万物都依靠热来生存，热突然加大或减少必然会对人类的生活产生很大的影响。热现象的研究，首先遇到的就是确定物体的冷热程度，也就是说测量物体的温度。测量物体温度用的就是根据水银的热胀冷缩而制成的寒暑表。英美各国以水结冰为三十二度，以水沸腾为二百十二度，叫法伦海表，也称为华氏温标。法国所用的是以水沸腾为一百度，水结冰为零度，故为百度表，也称摄氏温标。德国所用的是以水沸腾为八十度，雪的熔点为零度，称勒氏温标。各个国家的分法都不一样，在1779年就有19种，但现在保留下来的就是以上3种。

接下来在《论雪与冰及冻冰之理》中阐述了水冻成冰的条件，冰雪雹霜都是由水形成，但它们又有所不同。下雪对农作物的生长是有帮助的。使物体制冷的方法也有好几种，化学家可配药材，利用化学反应来制冷。一般来说，常用的制冷方法是将冰击碎和盐混合，或者是雪与盐混合。

4 光学知识

《论光》分布在《格致略论》中的第110节到116节，介绍了光的性质、光的速度、光的反射和折射、光对植物生长的影响。文中对光的性质介绍比较客观：“光为何物，迄今格致家尚难确言，即热为何物，亦不能详知。昔人以为光与热俱为极薄之流质，近时格致家之意，俱以为光乃由一种气质之动而生。此气万物内无处不有。”文中提到光的速度是每秒十九万二千英里，也就得到了日光到地球的时间大约为八分钟。在光的反射中提出反射角与入射角相等。光照射到疏密不相等的透光物体中，光会发生偏行。如将一条直杆的一半插入水中，外观入水的地方有折形。并且指出光线弯折的角度与物体的疏密程度成比例。太阳光可以通过三棱玻璃，分为七色光。这就证明了太阳光是由七种光组合而成，由于这七种光的折射率不同，所以在三棱镜中显为七色。天空中的彩虹也是这个道理。化学家用三棱玻璃来分各种火焰所发出的光，就知道所烧物体是何原质。光可以使许多物质变色，如棉布放置在阳光下变为白色。

《影戏灯说》是刊登在第四年第10卷的一篇文章，影戏灯也就是现在的幻灯机，当时也叫映画器、取影灯戏、放字镜等。《光理浅说》是刊登在第七年春季卷的一篇文章，主要介绍了人为什么可以看到光，以及在绘画的时候应该注意的问题。文章一开始就说了：“光从日发或由亮体射回，入人目达脑衣，则觉为光。如月受日光映回入目，则见为月。”这也就说明了月亮本身并不发光，它是反射太阳的光。光一带或一线能分七线，各线能使目觉有不同之色，各色并和入目则觉白，白为光之合，而色为光之分。可以用以下实验可以看出，将七色依次绘于轮边，速转轮就可以看到匀和而显白色，没有白色则为黑色，因为没有回光。光分七色可以用三棱镜看出，在屏上呈现七色，由下而上依次为红棕黄绿蓝青紫，各个色宽宽窄不同。如果将色带均分为100份，那么红占11%、棕为8%、黄为14%、绿为17%、蓝为17%、青为11%、紫为22%。

5 电学知识

《论电气与吸铁气》分布在《格致略论》的第117节到129节。文中一开始就揭示了摩擦过的琥珀和玻璃会吸引轻小物体，有光亮之气从体内发出，此气就叫电气，但至今尚未有人能全知其理。电气能遍通万物，无时不存无处不到。凡体内含电气过限者有正电气，如玻璃条以布擦之，则玻璃之电气过限，即为正电气，布电气过少，则为负电气。有的格致家认为电气有两种，一种为玻璃电气，一种为松香类电气。还可以分为阴电气和阳电气。接下来介绍了莱顿瓶。用一个大口玻璃，瓶外糊锡箔。电气可以收蓄瓶内，也可以放出传于各个物体。在它的瓶塞上有一个小铜球，当它蓄有电气时，一手把瓶一手用手指与球相切，可以发光，人觉电气入身而颤搐。若将多瓶一块连起，所放出的电火可以熔金，还可以击毙一头大牛。有的物体易于传电，如金属和多数的流质。有的物体不易于传电，如玻璃条和火漆。由于动植物体内有汁或有血，所以也是易于传电的。空气极热时含有电气过限而有余，欲与他处电气相平，则从空气高的地方传到云中或地内，电气多则发光，这就是闪电，同时发出大声那就是雷了。若人或树木等易传电的物体在电气所行路中，则容易被电气所击，受其大害。在当时的中国认为打雷是因为雷神发怒了，所以要雷击人。这为当时人们破除迷信，认识科学做了有益的宣传。为了防止高大的建筑物被雷击，人们发明了防雷铁。利用电气运动速度极快这一特点，可以在两地之间以铁丝或铜丝安电线，令其相通，若在一端通电气，则另一端立刻就收到，这就是电报。中国内地用电报都得到了好处。电气还可以用来放炮放水雷，以及用来镀金。闪电和雷鸣常常在一起出现，一看见闪电就听到雷声，说明打雷的地方离地面很近，若看见闪电很长时间才听到雷声，则说明打雷的地方离地面很远。这是因为电光和雷声在空气中的传播速度不一样。远处的雷电对人没有害处，唯有近处的雷电若人在其电气传播的路中就有危险了。格致家们认为动物体内存在有“动物电”，有一种电鱼，其电力非常大，可以击死其他鱼。电气和吸铁气原来相同，只不过所显的性情不一样。磁石不但可以吸引铁，也可以令铁有磁性。磁铁必有一端为正电气，一端为负电气，两端电气所聚谓之为极点。两个极点之间有电气或吸铁气恒来往，行循环之路不息。地球也有两极，分别是北极和南极，将吸铁条轻悬，那么它一端指北极，一端指南极。文中提出了这样的疑问：中国在很早以前就根据这个道理发明了指南针。西国用指南针不过四五百年，却走便了地球所有能到的地方，得到了许多好处。而中国尚不常用，为什么呢？生电气的方法有数种，有摩擦而成的，有金类交感而成，有吸铁气所生电气还有热或气所生的电气。电气为万物之中最灵最巧者，虽然不明白电的全部道理，但可以利用已经明白的，设法得到它的益处。如南针之指迷，电报之捷音，镀金之利便，治病之奏效，以及燃炮放水雷之稳便，还可以用电气之力运动机器。

《电气镀金》（后名《电气镀金略法》）刊登在第三年的前九卷中，是研究我国早期电镀发展史的重要资科，在电化学领域也有一定的影响。《电学问答》由天津水雷局编译，全文一共98问，以问答方式，介绍了吸铁和水雷有关的一些电学知识。《论电》全文一共105问，连载6卷，该文以问答方式，详细介绍了电的发展、摩擦生电、电的性能、电流、电阻、电压、金属导电原理。

对《格致汇编》中物理学内容的全面研究，可以看出物理学知识在整个内容中所占比例颇大，因此物理学内容在整个期刊中的地位不容忽视。《格致汇编》的语言浅显易懂，并且图文并茂，易于被广大读者接受。文中有意识地介绍科学基础知识、提高了普通民众的科学素养。《格致汇编》传播的这些科技知识确实对中国人具有科学启蒙的作用，它在潜移默化中影响和改变了部分中国知识分子的观念和思想。

[1]徐寿.考证律吕说 [J].格致汇编，1880，3（7）：14-15.

[2]戴念祖.中国物理学史大系∙声学史[M].长沙：湖南教育出版社，2001：367.

[3]陈正生.康熙十四律乃徐寿“律管试验”之滥觞[J].黄钟——武汉音乐学院学报,1995(1)：35-38.

[4]程端甫.传声器、像声器 [J].格致汇编，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，山西应县人，硕士,讲师,研究方向：科学技术史。

〔责任编辑 高海〕