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阿基米德原理(科学史话:阿基米德和浮力定律)

阿基米德原理(科学史话:阿基百思特网米德和浮力定律)

先来一个小问题:

有一个小池塘,一艘载有石块的小船漂浮其中,如果将石块投入池塘里,那么池塘的水位会怎样变化?是上升,下降,还是不变呢?

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这是一道简单的中学物理题,涉及浮力定律这一知识点,而咱们今天这篇文章就是介绍浮力定律的由来,以及一些更加深刻的思考。

公元前287年,阿基米德出生于意大利西西里岛的叙拉古,由于天资聪慧加上出生贵族,他在少年时期被送去了当时的文化中心——亚历山大城,跟随数位数学家学习(比如埃拉托塞,他是大数学家欧几里得的学生),这段求学经历为阿基米德日后的成就奠定了基础。

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相传有一次叙拉古的国王想要铸造一枚纯金的皇冠,于是让国内最好的工匠来完成这个任务,可是等到皇冠做好了以后,国王却怀疑这个皇冠是否掺了假,说是纯金的,但如何证明呢?要是再内部掺上一些其它金属怎么办?

于是国王下旨让众大臣解决此事,要知道两千多年人类的科学水平是非常落后的,这个简单的问题却让众人一筹莫展,国王无奈,于是便想到了当时的大科学家阿基米德(阿基米德同样也是这位国王的亲戚),让他来帮忙解决这个问题。

想要知道皇冠是否掺假,最直接的办法就是将皇冠切开,看其内部状况,但这样一来皇冠也就被破坏了,显然这个办法是行不通的,那么还有什么办法可以在不破坏皇冠的前提下,知道皇冠是否掺假了呢?阿基米德虽然学问非常高,但这个问题却也让其寝食难安。

随着距离向国王报告的日期越来越近,这个问题的解决还是没有眉目,多天的废寝忘食使得阿基米德胡子拉碴,衣服也是脏兮兮的,于是阿基米德决定先去洗一把澡,之后再向国王说明情况。

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阿基米德伴着沉思走进洗澡的大水桶,就在他缓缓躺下,看着那慢慢溢出水桶的洗澡水时,想到这溢出的水的体积等于自己浸入水中身体的体积,突然阿基米德愣住了,转而跳出水桶,朝着皇宫狂奔而去,一边跑一边大叫:找到啦!找到啦!

来到皇宫的阿基米德欣喜的向国王说道:我终于找到问题的关键了。于是让周围的侍从取来三样东西,分别是:黄金、皇冠、白银,并且这三样东西的质量是相等的,再端来三盆水,将这三样东西放入水中,只见三个盆子中都有水溢出来,阿基米德叫侍从将三份溢出来的水分别装取起来,向国王和众大臣问道:大家看这三份水有什么不一样的地方?众人回答道:看着没什么区别啊,只是三份水的体积各有不同。

阿基米德笑道:没错,这三份水的体积都不相同,而这恰恰说明了皇冠并非纯金打造,而是内部掺了其它金属。

阿基米德进一步解释:我们都知道每种物质都有自己的密度,黄金和白银的密度是不相同的,而在质量相等的情况下,密度不同就体现为物体的体积不一样,这是很容易理解的。而物体放入水中势必要占取水中的部分体积,而这个体积自然是物体自身浸入水中的体积,同样也是溢出水的体积。

知道了这点,我们就可以借此来判断皇冠是否掺假了,因为我拿来了和皇冠等重的金块,因为都是黄金,因此大家的密度是一样的,所以体积也是一样,那么再放入水中后,溢出水的体积理应是一样的,但事实却不是这样,那么只能说明一点,皇冠并非由纯金打造。

听到这样的解释,国王以及众大众无不啧啧称赞,这样的方法实在是高。

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不过阿基米德并没有就此停步,毕竟只是利用了物体排开水的体积等于自身浸入水的体积这条常识,而物体在水中受到的浮力到底与什么有关呢?

阿基米德发现当一块物体沉入水中时,如果用秤在水中称量那块物体,会发现它的重量相比于空气中减轻了,而减轻的那部分重量,恰好与溢出水的重量相等。

在经过多次实验后,阿基米德就提出了著名的浮力定律:物体在液体中受到的浮力,等于其排开液体的重量。

上面就是阿基米德发现浮力定律的故事,虽然故事的真伪性值得怀疑,但浮力定律的确是由阿基米德第一个提出,在他的著作《论浮体》有过讲解。

不过本文并未结束,在开头的几段中我们还说过有一些更加深刻思考,那么这个思考百思特网是什么呢?先再来看一则典故。

相传在三国时期,有人给曹操进贡了一头大象,曹操和百官们都没有见过这种百思特网动物,看着庞大的身躯,便想知道这头大象的重量,可是因为大象的体型过于庞大,平常用的秤都没法称量,大家都很犯难。

此时曹操年幼的儿子曹冲却说道:我有办法。

将大象带到一个小湖旁,准备一艘船,先让大象上船,此时船身定会下沉,在船身上刻下水位;之后将大象移出,再往船上增添石块,待到船身再次下降到之前刻下的水位时就停止添加石块,此时船上石块的总重量就是大象的体重。

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不得不说,曹冲的方法确实非常巧妙,因此这个典故也经常出现在小朋友的普及读物种,然而这个典故时值得人们深思的,倒不是其中的奥妙原理,而是关键的一点:既然我们古代有曹冲称象,那为什么我们没有发现浮力定律呢?

有人说曹冲称象是则虚构的典故,但这并不是问题的重点,毕竟我们的文明有数千年的历史,曹冲称象中利用的方法绝对不可能仅此一家,换句话说,就相当于古人曾无数次利用了浮力去解决问题,但为什么始终都没有总结出清晰明确的浮力定律呢?

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这种问题往大了讲,实际上就是著名的"李约瑟难题":为什么近代科学没有从中国诞生呢?往小了说,从经验到本质的科学原理,我们到底中间差了哪一环?首先可以肯定的一点,我们古人是绝对不缺乏智慧的,否则辉煌的五千年文明从何谈起?

既然如此,那到底是什么导致了虽然我们有庞大的经验储备,但近代科学却为何不是从我国发展起来的呢?



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