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第五十七章物理学明代的物理学在某些方面，如声学，有突出的成就。但物理学同其他传统科学一样，发展十分缓慢。明末西方传教士来华，西方近代物理学知识也开始传入。
第一节力学材料力学知识宋应星在《天工开物》中叙述了测量弓的弹力的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少。”①这里涉及到力与形变的关系及其测量方法。
风力与水力的利用我国古代很早就知道在航行中利用风力和水力。宋应星在《天工开物》中指出：“凡风篷尺寸，其则一视全舟横身，过则有患，不及则力软”，“凡风篷之力，其末一叶敌其本三叶。调匀和畅，顺风则绝顶张篷，行疾奔马。若风力洊至，则以次减下。狂甚则只带一两叶而已”，“凡风从横来，名曰抢风。顺水行舟，则挂篷之玄游走。或一抢向东，止寸平过，甚至却退数十丈。未及岸时，捩舵转篷，一抢向西，借贷水力，兼带风力轧下，则顷刻十余里”①。这里宋应星述及了帆的宽度与受风力的关系、帆的顶部与底部受力的大小，以及船在顺风和侧向风（甚至逆风）时的航向和张帆方向。宋应星还指出：“凡舵尺寸，与船腹切齐。若长一寸，则遇浅之时船腹已过，其梢尾舵使胶住，设风狂力劲，则寸木为难不可言。舵短一寸，则转动力怯，回头不捷。。。舵上所操柄名曰关门棒，欲船北则南向捩转，欲船南则北向捩转。”②论述了舵的长短对舵力大小、舵的方向对船航行方向的影响。从这些文字中可知，当时对于作用力和反作用力的大小和方向、船的受力状况与变化等已有充分的认识，因此能操作自如，安全航行。
比重的概念及其应用程大位在《算法统宗》卷一中，列出了金、银、玉、铅、铜、铁、石等七种物质的“轻重率”（即比重），“谓诸物皆见方一寸，其轻重不同如此”。程大位所列数值系引自《孙子算经》卷上，但由于历代度量衡的变迁，数值已不准确。
在比重的应用方面，明代基本上沿袭宋元时代制盐工业发展而创造的测卤法，即用莲子检验盐卤浓度的方法。陆容在《菽园杂记》中记曰：“。。以重三分莲子试之。先将小竹筒装卤，入莲子于中。若浮而横倒者，则卤极咸，乃可煮烧；若立浮于面者，稍淡；若沉而不起者，全淡，俱弃不用。”①方以智在《物理小识》中写道：“卤积则能载物，故淘土为巨器，泛中流必无沉溺。姚宽曰：煮海试卤者，杓卤而置莲子数枚，三浮五沉者淡；七八浮① 《天工开物》卷十五《佳兵》。
① 《天工开物》卷九《舟车·漕舫》。
② 《天工开物》卷九《舟车·漕舫》。
① 《菽园杂记》卷十二。
则淳卤矣。取其浮而直。闽人以鸡子、桃仁试之。饭豆亦可试也。”②他补充了一种用“饭豆”测试的方法。另外，方以智还记述了在冶炼多种金属混合其中的矿石时，由于比重的不同，“重者在下，浮土在上，以次分焉”③。对虹吸现象的进一步认识明代，人们对虹吸现象的认识已深入一步。徐光启述及“过山龙”（即虹吸管）的引水条件是“必上水高于下水，则可为之，至平则止”，在流水中“必须上流高于下流”④。徐霞客在游历云南鸡足山时，曾推断寺庙里喷泉的高度，“此必别有一水，其高与此并”⑤。方以智也认为，过山龙“其来处何高，则所激之高可与之比。或故使之瀑下，就以筒承瀑，则水激而上。上既出，则流通而不止矣”⑥。
传入的西方力学知识明末传入我国的西方近代力学和机械学知识，主要集中在邓玉函（J。Terrenz，1576—1630）口授、王徵笔述并绘图的《远西奇器图说录最》（1627）中。该书共三卷。第一卷六十一款，叙述力学基本知识与原理。包括地心引力，重心，各种几何图形重心的求法，重心与稳定性的关系，各种物体的比重，浮力等。第二卷九十二款，叙述各种简单机械的原理与计算，包括杠杆、滑轮、螺旋、斜面等一般知识。第三卷介绍各种实用机械，共五十四幅图说。该书汇总了从阿基米德到十六世纪初的西方力学和机械学知识，并且其中有些内容引用了伽利略的著述①。
② 《物理小识》卷七《金石类·盐》。
③ 《物理小识》卷七《金石类·分金炉》。
④ 《农政全书》卷十七《灌溉图谱》。
⑤ 《徐霞客游记》卷七上《滇游日记》。
⑥ 《物理小识》卷八《器用类·转水法》。
① 参阅严敦杰：《伽利略的工作早期在中国的传布》，载《科学史集刊》第七期（1964），第8—27 页。第二节声学对声的认识及应用宋应星在《论气》中写道：“气本浑沦之物，。。及夫冲之有声焉，飞矢是也；界之有声焉，跃鞭是也；振之有声焉，弹弦是也；辟之有声焉，裂缯是也；合之有声焉，鼓掌是也；持物击物，气随所持之物而逼及于所击之物有声焉，挥椎是也。”②说明一切声现象都离不开气的因素，声音的产生是因为物体的振动或急速运动对空气的冲击。他还写道：“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文（纹）浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也，亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。”①在此宋应星明确地用水波与声波相比较，认为声音传播过程中空气的振动与水波的振动类似。当然他那个时代还不可能知道声波是纵波而水波是横波的差别。
方以智曾进行声波共鸣现象的观察和实验，他说：“《梦溪笔谈》曰：今有琵琶，以管色奏双调，则琵琶有声应之，以为异物。殊不知乃常理。二十八调，但有声同者即应，若遍二十八调而不应，则是逸调也。古法一律七音，共八十四调，更细分之，逸调至多，偶见其应，便以为奇耳。智（方以智）按洛钟西应，即此理也。今和琴瑟者，分门内外，外弹仙翁，则内弦亦动，如定三弦子为梅花调，以小纸每弦帖之，旁吹笛中梅花调一字，此弦之纸亦动。曹师夔鑢磬不应钟，犹之茂先（张华）知铜山崩也。声音之和足感异类。岂诬也哉！”②他还记述了一种原始的隔声技术：“私铸者匿于湖（地洞）中，人犹闻其锯锉之声，乃以瓮为甃，累而墙之，其口向内，则外过者不闻其声。何也？声为瓮所收也。”③与隔音消声相反，在音乐演奏中常常为了增强效果而需要共鸣装置。文震亨写道：“古人有于平屋中埋一缸，缸悬铜钟以发琴声者然。不如层楼之下，盖上有楼板，则声不散；其下空旷清幽，则声透彻；或于乔木、修竹、岩洞、石室之下，地境清绝，更为雅称耳。”④具有声学特性的建筑驰名中外的北京明代建筑物天坛，其中的回音壁、三音石和圜丘具有奇妙的声学效果。“回音壁”是一道圆形的围墙，高约6 米，半径约32。5 米。围墙内有三座建筑物，北面一座皇穹宇距离围墙最近处约2。5 米。整个围墙整齐光滑，是良好的声反射体。围墙的弧形使得当入射角小于22°时，声波可被围墙连续反射而不受皇穹宇的散射。因此，如果一人贴近围墙讲话，而相距较远的另一人如也贴近墙壁，则可听得很清楚。“三音石”是位于回音壁中心的一块石板，人若站在此处击掌，可听到三次甚至多达五六次回响。② 《论气》气声二。
① 《论气》气声七。
② 《物理小识》卷一《天类·同声相应之征》。
③ 《物理小识》卷一《天类·隔声》。
这是因为声音等距离地传到围墙后，被反射回到中心，于是听到第一次回声；然后声波再次传到围墙，再次被反射回来，又听到第二次回声；如此往返，直到声波能量衰耗殆尽。“圜丘”是一座由青石和大理石砌成的圆形平台，高出地面约5 米，半径约11。5 米。平台中心略高，向四周略有倾斜。除东南西北四个出入口外，四周全部围有青石栏杆。人若在圜丘中央大叫一声，听到的声音比平时要响亮。这是由于声波被栏杆反射到稍有倾斜的台面上，再从台面上反射到人耳，与原来的声音混合在一起的缘故。
朱载堉创建十二平均律朱载堉创建的“新法密率”，是我国古代最杰出的科学发现之一。这也是世界上首次提出的十二平均律的数理理论，为现代键盘乐器（如钢琴等）的创制奠定了基础。
朱载堉的“新法密率”理论及其计算方法在他的《律历融通》、《律学新说》和《律吕精义》等书中均有阐述。“新法密率”的主要科学贡献：一是创造了以弦律为主的十二平均律；二是采用“异径管律”的方法，提出了解决管口校正的新途径。
朱载堉把八度分成十二个半音，运用等比生律，使得任何相邻两律间的频率比都相等，从而获得各律音高间隔的等程性，成功地解决了旋宫转调的问题。其用数学公式可表示为，式中表示在一个八度音程中十二个半音的任意一个音的弦长。这样新法密率实际上就是以为比例因子的十二平均律。
TTnnn ＋ 12 12= 1。05946 = 2 T 12 ；；〃 〃朱载堉在发明十二平均律的同时，还提出“异径管律”。这就是以管定律时，各律管的内径须随律管长度而异。他利用这种不同管径的特点来达到缩小空气柱与管长不一致的问题。他研究得出，在一个八度音程中按音高次序排列的十二个律管的管径构成了以为比率的等比数列。用数学公式可表示为2412422d dnn ＋= 。第三节光学传统的光学研究及记载关于针孔成像和面镜成像的问题，方以智①的研究和记述基本上与宋代沈括的研究和记述类似。
关于色散现象，李时珍①、方以智等均有观察与记述。方以智指出：“凡宝石面凸则光成一条，有数棱者则必有一面五色。如峨嵋放光石，六面也；水晶压纸，三面也；烧料三面水晶亦五色；峡日射飞泉成五色；人于回墙间向日喷水，亦成五色。故知虹■之彩、星月之晕、五色之云，皆同此理。”②他列举了数种晶体的色散及虹霓现象等，认为这些自然界的普遍现象有着相同的道理。可以说，这是对我国古代色散知识的一个总结性记录。
至于透光镜，在郎瑛的《七修类稿》中记载：“映日，则背花俱见。凡突处，其影皆空。”③方以智对此亦有研究：“世有日中见镜背盘龙，入室则隐者，。。人不解其故，以为异宝。此假作者，先以精铜少剂铸镜，凿龙或花其背，复熔倍锡之铜剂填之，磨使平，又以铅盖其面，日中照之，则龙文尽出。博物如沈存中（沈括），犹讶透光之奇。吾衍（吾丘衍）始明之。”④对于透光镜的铸造方法，方以智与元代吾丘衍的见解相似。
传入的西方光学知识明末，西方近代光学知识开始传入我国。如利玛窦曾用三棱镜表演色散现象。阳玛诺（Emmanuel Diaz， 1574—1659）在《天问略》（1615）中，最早提到光学望远镜，他说：“近世西洋精于历法一名士，务测日月星辰奥理而衰其目力尫赢，则造创一巧器以助之。”此处“精于历法一名士”实指伽利略，他于1609 年制望远镜，并用以观测月面、金星、土星、木星、星团、银河等天体。汤若望（J。Adam Schall von Bell，1592—1666）所著《远镜说》（1626）是在我国最早介绍望远镜的专著。该书首先列举了利用望远镜仰观月亮、金星、太阳、木星、土星和宿天诸星，及直视远处山川江河、树林村落、海上行舟和室中诸远物的情形，然后介绍了伽利略望远镜的结构和用法，在天文观测及战争中的功用，还介绍了眼镜、凸透镜和凹透镜的制造、使用及成像原理，光的折射现象，凸透镜与凹透镜组合使用的成像原理、造法、用法及注意事项等。总之，该书从功效、原理、结构和使用等方面介绍伽利略式望远镜，并附有光路图（尽管是错误的）及整架望远镜的外形图。估计望远镜实物当在此前后传入我国。
明末，薄钰曾成功地把“千里镜”（望远镜）应用于战争，观察敌方所① 《物理小识》卷八《器用类·阳燧倒影》。
① 《本草纲目》卷八《金石部·玉类》。
② 《物理小识》卷八《器用类·阳燧倒影》。
③ 《七修类稿》续稿卷七《奇谑类》。
④ 《物理小识》卷八《器用类·镜背纹》。
在和炮弹落点①。明代已有关于眼镜传入我国的记载，见于郎瑛的《七修类稿》卷六《事物类》及张宁的《方洲杂录》。它们主要是远视眼镜，由陆路经甘肃、陕西，或海路从广东输入，因稀少而昂贵，被视为珍品。