第 3 节
作者:
浮游云中 更新:2021-02-20 16:02 字数:5199
天特来求教。”阿基米德一边欠起身来向老妇人施礼,一边问道:“您想鉴
定什么?”老妇人说:“也是鉴定金银材质的问题,”她一边说,一边从怀
里掏出一个小小的布包,将小布包打开,里面是2颗圆圆的金色小球,其中
一颗较大,一颗较小。老妇人取出金色小球,高举在手里,朝宫殿里所有的
官员喊道:“你们看,这是两颗金球,是我儿子花费几个月的时间制成的,
可惜我的儿子不在了,我也难断定它们是不是纯金制造的。现在,就请阿基
米德先生帮助鉴定一下,看看里面是不是掺了银子。”宫廷仆人端了一个木
盘,将两颗金色的小球放在木盘里,互相传递观赏。这是两颗做工非常精致
考究的金球,上面镂刻着各种飞禽走兽,草木花纹,还有天上的浮云,大海
的波涛。图案精巧细致异常逼真,令人惊叹不已,众官员全都交口称赞起来。
阿基米德按照通常的程序,让人端来一罐水,然后称了小球的重量,将小球
放入罐中,然后计算小球排出的水的重量。这一切操作程序都无需阿基米德
亲自动手,他的助手们按照预定的步骤和所遵循的原理一一作完,然后计算
核对。只一会时间,结果出来了:小球排出的水比等重量的金块排出的水还
多。阿基米德猛地一怔,突然意识到,这个小金球里面掺的不是银子,而是
掺加了什么轻金属。然后,阿基米德又派人按照预定的步骤鉴定那个大金球。
更加奇怪的现象发生了。这颗大金球放进水里并不下沉,而是漂在水面上,
有人把它压下去,却又浮上来,往复多次,那个金色的球仍然浮在水面上,
只有一部分在水中,阿基米德又是一怔,这样的话,该如何鉴定排出的水量
呢。面对这两个金球及测试结果,周围的人都惊呆了,一直在旁边观察操作
的阿基米德感到有些心慌意乱:这两个小球肯定有问题。他边想边去拿那两
个金球,当他将这两个金球分托在两个手掌上,掂了掂重量时,他心里明白
了,然后他向老妇人和周围的人解释到:“这两个小球是空腔的,我们无法
鉴定它们是不是掺了银或其它物质。”只见老妇人脸一沉,扳起那张慈祥和
善的面孔,用肯定的语气说:“我的儿子知道,这两个小球都是用纯金制成
的。”国王说:“那就请您的儿子来说说吧!”老妇人含着怨恨的口气说:
“可是他不在这里,他被关在监狱里,甚至被剥夺了欢度祭神节的权利。”
这里国王和阿基米德及众大臣都意识到,这是那位为国王作王冠的金匠的母
亲,说金匠往王冠里掺假是冤枉了他。
这时,最感到痛心是的是阿基米德,他意识到自己的技术性错误有多大,
用部分实验证明的理论去鉴定他人的成果有多么愚蠢,的确阿基米德前面的
实验所得到的结论是正确的,但只适用于一部分物质,并不是所有的物质全
都适用。就像那顶精美的王冠,镂月裁云,玲珑剔透。就是镶嵌在上面的那
些零件,有缨、簪、小球、叶片、花纹等。少说也有几十件,如果在某几件
内置有空腔,排水量岂不就会增多?如果按排水量的多少确定王冠之中是否
掺假,不仅给金匠酿成冤案,还会误导自己对事物的认识。
显然,对于实体零件或者说能够被水淹没的物体,阿基米德的鉴定方法
是有效的,而对于空心零件,由于空心所占的体积无从确定,所以阿基米德
不能鉴定。诚然,人们不知道国王的王冠里究竟是不是掺了假,可这场戏剧
性的判决的确给阿基米德一个颇为深刻的启示,也成为他终身引以为戒的教
训。
… Page 11…
五、“阿基米德定律”的诞生
鉴定王冠的风波过去了,金匠的母亲把两个小球送给了阿基米德,阿基
米德的心情更沉重了,如何解开空腔小球不下沉的迷,又摆在阿基米德面前。
阿基米德又开始了思索,我们发现,不论是现代物理学,还是古代物理
学,都是建立在实验的基础上,阿基米德也不例外,他和他的助手把各种材
质的东西:金、银、铁、铜、木块等东西拿来,一一放入水中,通过观察比
较,首先发现,有些东西可以沉入水底,有些东西浮在水面上,另有一些东
西停在水中某一深度,有一些东西一半在水中,一半在水上,这就说明,放
入水中的物体,受到了一个向上托的力,阿基米德给这种向上托的力取名为
“浮力”。它与什么因素有关?应该怎样求得呢?阿基米德决定用秤称得浮
力的大小,他认为:在水中,既然有一个向上托的力来托起物体,要是在水
中称一称这个物体,它的重量应该能够减轻一些,减轻的数值当然就是浮力
了。
经过实验表明:“物体在水中称得的重量加上物体排开的水的重量等于
物体在空气中的重量,也就是说,浮力的大小等于物体排开液体的重量。”
至于那个大一些的小金球,虽然它只有一部分浸入水中,它所受的浮力的大
小也等于它排开的液体的重量。实验还表明,物体在水中或沉或浮,取决了
物体的重量和所受到的浮力的大小,因为物体的重量是垂直向下的,而物体
所受的浮力是垂直向上。
在实验中,阿基米德还发现,物体在水中或沉或浮,还取决于物体的密
度大小,密度大的物体放入水中就沉得深,密度小的物体在水中就沉得浅。
体积等于密度乘质量,密度与体积成反比,与质量成正比。密度大的物体体
积就小,所受浮力就小,在水中就沉得深,密度小的物体,体积大,所受浮
力大,在水中就沉得浅或浮在水面上。
就这样,阿基米德发现了浮力定律,也就是我们在中学物理中学到的“阿
基米德定律”,它作为液体静力学的基本原理,在他的《论浮体》这本著作
中得到进一步的归纳和总结。他在《论浮体》这本书中写道:
与等体积的液体等重量的物体,如放在液体中,此物体既不浮出液面,
也不下沉到液体的任何深度下;
比液体轻的物体,如放在液体中,不会整个沉入液体内,它有一部分将
露在液面上;
比液体重的物体,如放在液体中,就下沉到被排开的液重等于整个物体
本身的重量为止;
如果把比液体轻的物体用力按入液体内,物体将受到向上的推力,其大
小等于被排开的液体重量和物体重量之差;
比液体重的物体,如放入液体中,就会下沉到底;而且,如果在液体中
称它,它所失去的重量,就等于所排开的液体重量。
2000多年前阿基米德发现和总结的“阿基米德定律”对后世科学技术的
发展具有非常重要的意义。我们现在使用的潜水艇就是利用“阿基米德定律”
的原理制成和使用的。潜水艇中设置了专门的储水柜,朝储水柜里吸水,就
使潜水艇的重量增加,在潜水艇体积不变的情况下,增加潜水艇的重量,潜
水艇就会下沉。排出储水柜中的水,潜水艇的重量减轻,潜水艇就上浮。利
用“阿基米德定律”的原理,潜水艇可以自由控制沉浮,而且能控制潜水艇
… Page 12…
所要停止的深度。不仅在战争时期被广泛应用,而且在和平时期,作为探索
海洋资源的工具也是必不可少的。
“阿基米德定律”同样可以用在气体上,现代航空工业中使用的氢氦气
球和飞艇,就是利用氢气和氦气比重轻而产生的巨大浮力而升上天空的。
阿基米德在洗澡这个偶然的机会中发现了这个具有重大意义的“阿基米
德定律”,在古今中外不同肤色、不同民族的人民中,做为一个教育学生和
成年人勤奋思考的生动故事,一直被流传至今。阿基米德在鉴定王冠时所使
用的盛水的锡罐,后人将他命名为“攸勒加”,一直被人们用来做为确定比
水重的固体物质的密度的仪器,人们以这种形式来纪念这位为人类建立了不
朽功勋的大科学家。从此,“攸勒加”(我找到了)被做为一句代表灵感和
汗水的名言,被人们世世代代传颂着。在这句话的后面,凝结着每一位科学
家的汗水和心血。
… Page 13…
六、 《故国风光图》
又是一个欢乐的祭神节。国王亥洛为了表彰阿基米德在科学上的贡献,
特意登门拜访,并送给阿基米德一幅画《故国风光图》。这幅画虽然取名《故
国风光图》,实际上并没有多娇的江山,也看不到气势磅礴的雄关峻岭和秀
丽宜人的青山绿水。只见清澈明朗的碧空,点缀着朵朵白云;底下是一望无
际的滚滚麦浪在迎风飘荡。画面的显著位置上画着3件引水器具:用杠杆提
桶汲水;用滑轮装置起吊水桶;用“阿基米德螺旋”原理制作的“水蜗牛”
抽水。这幅 《故国风光图》虽然没有名胜美景,然而,阿基米德理解国王的
心意,这不仅是国王对自己表示的节日祝贺,而且也表达了国王对自己的发
明创造能够用于劳动人民的生产实践所给予的赞誉,同时也显示出一国之君
对科学、对科学家的尊重和关怀。这不禁使阿基米德想起了很久以前的一件
事。
当阿基米德把刚刚发现的杠杆定理兴奋地告诉国王的时候,国王曾经饶
有兴趣的问他:如果按照你发现的原理,你能移动地球吗?阿基米德曾经斩
钉截铁地说:“能,只要你给一个支点。”但是谁都无法找到使地球移动的
支点。所以国王说:“阿基米德,如果你的研究只停留在学问的游戏上,不
能解决实际的重大问题,你的学问有什么用处呢?”阿基米德为了证明自己
的学问能够解决实际的重大问题,在杠杆原理的基础上,设计了一套杠杆滑
轮系统。
当时,叙拉古的船都是由木头制造的,海水的侵蚀和海中生物寄生在船
壳上,使得每隔一段时间就得把船拖到岸上来进行彻底清洗并重新油漆。把
船拖上岸是一件非常费时费力的事,必须趁着退潮的时候,许多人合力用绳
子拉。等清洗油漆后再推回海里,就更费劲了。常常是好不容易推下去,一
个巨浪打来,又会退到原地,阿基米德就用设计好的滑轮系统,系在巨大的
三桅货船上,另一头系在岸上的转柄上,阿基米德派人摇动把柄,把柄带动
小齿轮开始转动,通过巧妙的齿轮传递,大齿轮上缠着的绳子收紧后,拖着
货船缓慢地向岸上移来,随着把柄的转动,大货船一点一点地离开水面,稳
稳地移沙滩上。
现在,国王送给阿基米德《故国风光图》,既是对阿基米德所取得的成
就的肯定,也是对阿基米德的勉励。国王鼓励他把自己的知识和科学贡献给
祖国叙拉古,而阿基米德也正是这样做的。
… Page 14…
七、两千年未解的题
阿基米德博学多才,在许多领域都有建树。他用科学知识不仅为叙拉古
人民的生产生活解决了许多实际问题,而且在科学理论上也指导了后人的研
究。在工作中,他曾给他的助手们出了一道十分复杂的题目,这道题目是用
诗文表达出来的。
我的朋友,你准确地算一算太阳神的牛吧!
尽管你聪明智慧,可也得费煞脑筋。
从前,在西西里岛的草原上,曾经在那儿放牧过多少牛呢?
告诉你,这些牛分成4群。
它们的颜色各有差异,第一群白得像乳汁一样,而第二群却正相反,它
们是那样乌黑,黑漆得直发光亮。
第三群是棕色的,第四群的牛身则带有花点。
在每群中,既有牡牛,也有牝牛。
再告诉你,这些牛数可有一定的比例:
在牡牛中,白牛数等于棕牛数,连同黑牛的1/3。
别忘了,还得加上黑牛的一半算在一起;
还要告诉你,黑牛数等于花牛的1/4,
再加上花牛的1/5也不够,把棕牛数都搭到底。朋友,最后我要你假设,
那花牛数呀!
它等于白牛的