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中國古代科學儀器史略

內容簡介

內容簡介 過去沒有電腦與望遠鏡，古人如何做到精準測天繪地？ 揭開中國古代儀器的奧祕，看見科學與工藝交織的智慧！ 中國古代科學儀器的發展，是實踐與觀察智慧的結晶，也是古人探索自然世界的珍貴遺產。本書以縱觀歷代、橫跨多領域的視角，全面梳理了古代中國在科學觀測、度量與實驗方面的豐富成果，呈現出一幅涵蓋天、地、力、光、聲、熱等多元知識的技術圖景，讓讀者得以一窺華夏文明中潛藏的科學理性與工藝精神。 在浩瀚天宇的觀測中，中國古人創造出眾多富有想像力與精密結構的工具，從追蹤日影變化的直立標竿，到模擬天象運行的複合環儀，展現了對時間與宇宙秩序的深刻認知。而在人間實境的探索上，無論是古代的導航裝置、地動儀系統，還是測繪用的比例尺與製圖工具，都反映出當時人們對地理結構與空間觀念的實用應用。 除天文與地理之外，本書也細緻地追溯了古代中國在測量長度、重量、容積、時間等方面的創意與工藝進展，從木尺、秤砣、沙漏到機械式裝置，展現出工藝與數理的結合。而熱能、聲響與光線的控制與應用，也透過煉丹器具、律管、光學鏡面等儀器得以彰顯，反映古人對自然現象的敏感觀察與精巧仿造。 值得一提的是，許多儀器不僅作為科學用途，更交織著教育、禮制與工藝美學，兼具功能性與文化價值。本書所採分類方式清晰，解說資料詳實，從歷史背景到技術演進皆有論述，是了解中國古代科技發展不可多得的圖文資源。 本書不僅適合學術研究或教學輔助之用，也能為對歷史技術與文化興趣濃厚的讀者，提供一扇通往古代智慧世界的窗。透過這些被時光打磨的科學儀器，我們不僅看到古人的匠心，也能更深體會「器以載道」的科學精神。 〔本書特色〕 本書全面介紹中國古代科學儀器的發展與應用，涵蓋天文、地理、繪圖、力學、熱學、聲學、電磁與光學等多個領域。透過豐富的歷史資料與具體實例，展現古人觀天測地、度量製圖的技術智慧與工藝成就。內容深入淺出，圖文並茂，既具科學價值，也富文化底蘊，是探索古代科技脈絡的優質讀物。

作者介紹

作者介紹 楊堯飛，徐日新科學史研究者，長期關注中國古代科學技術的發展脈絡，專精於古代儀器與自然觀測技術的整理與詮釋。擅長以歷史文獻結合物理原理，深入淺出地介紹科學工具背後的原理與文化意涵。

產品目錄

產品目錄 第一章 天文儀器 1. 圭表 2. 日晷 3. 渾儀 4. 渾象 5. 漏水轉運渾天儀 6. 水運儀象臺 7. 假天儀 8. 赤道經緯儀 9. 地平經緯儀 10. 簡儀 11. 仰儀 12. 玲瓏儀 13. 候極儀 14. 地平經儀 15. 黃道經緯儀 16. 象限儀 17. 紀限儀 18. 璣衡撫辰儀 19. 御製銅鍍金星晷儀第二章 地理儀器 1. 指南車 2. 記里鼓車 3. 候風地動儀 4. 風向儀 5. 經緯儀第三章 繪圖儀器 1. 規 2. 矩 3. 墨斗 4. 縮放尺第四章 力學儀器 （一）長度測量儀器 1. 尺 2. 卡尺 3. 螺旋測微器 4. 千分表 （二）體積（容積）測量儀器 1. 升 2. 斗 3. 斛 4. 栗氏量 5. 新莽嘉量 6. 篩 （三）質量和重量測量儀器 1. 天平 2. 桿秤 3. 機械磅秤 4. 電子秤 （四）測時儀器 1. 漏壺 2. 秤漏 3. 沙漏 4. 火鐘 5. 時脈、錶 （五）簡單機械 1. 槓桿 2. 滑輪 3. 輪軸 4. 斜面 5. 尖劈 （六）力的測量及相關儀器 1. 彈簧秤 2. 鉛錘 3. 弓力的測定 4. 磨、礱 5. 軸承 6. 柱礎 7. 水準儀 8. 虹吸管 9. 比重計 10. 表面張力測驗儀 11. 萬向支架 12. 陀螺儀第五章 熱學儀器 1. 火照 2. 光測高溫計 3. 溫度計 4. 濕度計 5. 蒸餾器 6. 煉丹器具第六章 聲學儀器 1. 律管 2. 四通 3. 琴 4. 磬 5. 鐘 6. 噴水魚洗 7. 魚群探測器 8. 共振器第七章 電磁學儀器 1. 磁鐵 2. 司南 3. 指南針 4. 羅盤 5. 頓牟 6. 鴟吻第八章 光學儀器 1. 青銅鏡 2. 景符 3. 潛望鏡 4. 凹面鏡 5. 探照燈與瑞光鏡 6. 凸面鏡 7. 火珠 8. 冰燧 9. 放大鏡 10. 眼鏡 11. 望遠鏡 12. 顯微鏡 13. 幻燈機 14. 照相機 15. 電影機 16. 色散儀器參考文獻

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試閱文字

自序 : 序

　　當今物理學的發展方向，一是理論發展，二是實驗創新，兩者相輔相成。如1950年代，楊振寧與李政道對宇稱守恆定律的修正，得依仗於吳健雄等的實驗驗證，終於創立了宇稱不守恆定律，獲得了1957年度的諾貝爾物理學獎。物理老師王維耀曾說：「只要原理正確，任何實驗都能做得出來。」也就是說：只要理論正確，指導實驗一定能成功。

　　實驗需要儀器。什麼是儀器？第七版《辭海》中是這樣定義的：

　　科學技術工作中，用於檢查、測量、分析、計算、發信號的器具（工具）或設備。按工作原理，分機械的、電的、光學的和化學的等。一般具有較精密的結構和靈敏的反應。廣義上泛指科學技術工作中所使用的各種器具，如物理儀器、化學儀器、演示儀器、繪圖儀器等。

　　中國早期的一些儀器，稱得上科學儀器的不多，如光學儀器中，出現比較早的有眼鏡，剛開始，除西方傳入的外，能夠製造的只有紫禁城中的內務府造辦處。後來，民間好多地方建立了作坊、製造廠，如蘇州、廣州等地，不僅為中國的光學製造業奠定了基礎，也培養了一批技術人才。

　　中國歷代有師傅帶徒弟的傳統，在手工業中更是如此。如木工、泥水工和技術含量比較高的澆鑄造型工，他們代代相傳，生生不息，使中國的許多技術得到傳承。中國早期的一些科學儀器生產廠，雖然數量不多，產品也大多仿造國外的式樣，但它們是中國科學儀器生產的種子，是可燎原之火，它們是中國先進科學儀器生產的先行者。

　　儀器、工具和設備很難區分，且容易混在一起。如柱礎，是中國幾千年的房屋建築中的必備材料，使用十分普遍，可惜未轉化為科學儀器。再如簡單機械中的槓桿、滑輪、輪軸和斜面等，它們既是工作中的工具，也是中學物理教育中的演示儀器，在中學物理實驗室中都有這些東西的模型，所以在本書中把它們作為儀器進行介紹。

　　由於我們自身專業的原因，本書著重介紹物理儀器，涉及的古代科學儀器包括天文儀器、地理儀器、繪圖儀器、力學儀器、熱學儀器、聲學儀器、電磁學儀器、光學儀器。

　　雖然我們想把所有物理儀器一一作介紹，但也不免掛一漏萬，不當和遺漏之處，誠請行家、讀者指正。

試閱文字

內文 : 第一章　天文儀器

中國古代的天文學產生很早，如太陽黑子的觀察，在《漢書·五行志》中記載：「成帝河平元年（前28），三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。」在《晉書·天文志》中也有記載：「永寧元年（301）九月甲申，日中有黑子。」中國古代天文學發展迅速，且與中國古代的曆法相關。天文觀測，不僅為曆法服務，也為皇家效力。在天文觀測中，單憑人眼難以觀測到宇宙的深處，也不能使觀測精準，人善假於物，於是發明了許多天文儀器，這些儀器不僅可以觀天，也可在地上模擬天象，以便觀測計算。中國歷代都十分重視天文觀測，在朝專科門設立司天監、欽天監等機構，專司天文觀測。民間也有不少天文愛好者，為農業生產、日常生活服務，創造發明了不少天文儀器，有力地促進了天文學的發展，也為精準造曆奠定了堅實的基礎。這裡介紹的天文儀器，大型的以清代製造的「銅質八大件」為主；小型的天文儀器種類繁多，列有圭表、日晷、御製銅鍍金星晷儀等。

1. 圭表

圭表，也叫土圭，古代測量日影長度以定方向、節氣和時刻的天文儀器。圭表由兩部分組成：表，直立的標竿；圭，平臥的尺。表放在圭的南、北端，並與圭相垂直。圭表用以測量連續兩次日影最長或最短之間所經歷的時間，以定迴歸年長度，成為編曆的重要儀器。

古人發現：當太陽照在樹枝上時，地上有影子，影子的長短隨一天的時間和一年四季的變化而變化，於是發明了圭表，同時產生了許多「經驗之談」，如「日長一線」，宋代歐陽脩《漁家傲》中有「初日已知長一線」之句，意思是說冬至以後，白晝漸長。還有「一寸光陰一寸金，寸金難買寸光陰」，「陰」指日影，用「寸金」來衡量「寸光陰」，是說時間的可貴。

圭表，在甲骨文中已有記載。春秋時，古人使用圭表測量時間。《周禮·春官·典瑞》：「土圭以致四時日月，封國則以土地。」東漢經學家鄭玄注曰：「以致四時日月者，度其景至不至，以知其行得失也。冬夏以致日，春秋以致月。」鄭玄又注曰：「土地，猶度地也。封諸侯，以土圭度日景，觀分寸長短，以制其域所封也。」可見古代封建諸侯還用土圭丈量他們的封地。

圭表使用中最重要的是表影長度的讀取，鄭玄以為夏至日正午，日影長度差一寸，兩地相差一千里。學者錢玄（1910—1999）說：「據後人精確推測，差一寸，則地偏南或偏北為一百三四十里，鄭說不確。」

對圭表日影長度讀取作出重大貢獻的是元代大科學家郭守敬。

郭守敬（1231－1316），字若思，順德邢臺（今屬河北）人，元代天文學家、水利學家、數學家。他曾任都水監、太史令、昭文館大學士、知太史院事等，修治了許多河渠，與王恂、許衡等編制《授時曆》，創造和改進了簡儀、仰儀、高表、候極儀、景符和窺几等十餘種觀測天象的儀器，以及玲瓏儀、靈臺水渾等演示天象的儀器。他在全國設立多個觀測站進行大地測量，重新觀測二十八宿以及一些恆星的位置，測定的黃赤交角達到較高精確度。著有《推步》、《立成》、《曆議擬稿》、《儀象法式》等著作14種，共105卷。

立表測影，表的高度一般有8尺，到了元代，郭守敬做了很大的改進，首創高表，把表身做成碑柱形，並增加到36尺，在表頂再用兩條龍抬著一根直徑3寸的橫梁，從梁心到圭面共40尺，這樣，使梁影到表底的距離等於8尺表表影的五倍，使高表的相對誤差僅是8尺表的五分之一，也就是將測量的精確度提高了五倍。

元末明初的葉子奇在《草木子》中也對這一做法予以肯定：

歷代立八尺之表，以量日景，故表短而晷景短，尺寸易以差。元朝立四丈之表，於二丈折中開竅，以量日景，故表長而晷景長，尺寸縱有毫杪之差則少矣。

但是高表增加了觀測表影模糊的問題。為此，郭守敬又發明了「景符」，我們將在第八章的光學儀器中介紹。

用來測定投在圭表上日影長度的是表影尺。表影尺南北放置是因為地球的赤道平面與黃道平面有23°26′的交角，要使日影投在圭表表面正中，圭表必須南北放置，太陽從東方升起時，表影正好落在表影尺上，且與表影尺平行並處於其正中。

表影尺測定的是真太陽時，又稱視時，是一種時間計量系統。某地的真太陽時，以太陽視圓面中心對於該地子午圈的時角來量度，並以太陽視圓面中心在該地上中天的瞬間作為真太陽時零時，真太陽時的基本單位是真太陽日，下面要介紹的日晷表示的時刻即為真太陽時。

2. 日晷

日晷，也叫「日規」，是土圭的發展，由晷盤和晷針組成。晷盤是一個有刻度的盤，大多由石頭鑿成，裝置時平行於赤道平面，傾斜地放置；晷針是金屬針，按南北方向，與地球自轉軸平行，裝置在晷盤中央。它是利用晷針投出的日影方向和長度以測量真太陽時的儀器，晷針的日影隨太陽運轉而移動，在晷盤上指示的不同位置表示不同的時刻。

日晷的晷盤平行於赤道平面，這是改善日晷性能的關鍵一步，使晷針的日影隨太陽的運轉而移動，影子的運動速度很均勻，並與晷盤上時間的刻度一致。有一種地平式日晷（也叫水平式日晷），晷盤與地平面平行，晷針的日影在晷盤上分佈不均，根據日影隨時間變化的實際情況來進行刻劃，這顯然是不方便的。

西晉文學家左思寫過一篇《魏都賦》，其中有「揆日晷，考星耀」，這說明當時日晷已流行使用。《隋書·天文志》記載，開皇十四年（594），鄜州司馬袁充曾發明過地平式日晷，也叫短影平儀。南宋人曾敏行（1118－1175）在他的《獨醒雜志》卷二記載他的族人曾瞻民發明了一種晷影圖，其結構與赤道日晷基本相同，晷盤用木製成。明末清初，各國傳教士紛紛來華，帶來了西方使用的各種日晷。明代天啟年間（1621—1627），陸仲玉著《日月星晷記》，介紹各種日晷的製作方法。清代學者劉獻廷在他的《廣陽雜記》卷二中記述：

楊升菴云：《史記》旁羅日月星辰，《文選·陸佐公新刻漏銘》：「俯察旁羅，升臺登庫。」《尚書·考靈曜》云：「冬至十月，在牽牛一度。求昏中者取六項，加三旁蠡，順除之。」鄭元注曰：「盡行十二項，中正而分之，左右各六項也。『蠡』，猶『羅』也。昏中在日前，故言順數也；明中在日後，故言卻也。」據此則「旁羅」乃測天之器。如今之日晷地羅也。十二項者，十二時分為十二方也。此可補《史記》注之遺。此說有據，而晦伯非之。「傍羅」為測器，即不可以證《史記》。而今人名向盤曰羅經，則確本之此也。余謂十二項，即十二向也。

如果「旁羅」即日晷的字盤，中國關於日晷的最早記載應是在漢代了。

蘇聯Φ·C·扎維里斯基在他的《時間及其計量》中，認為日晷是波斯（即今伊朗）人帕羅芝在紀元前五百多年發明的。

3. 渾儀

渾儀，也叫渾天儀，是中國古代測定天體位置的一種儀器。儀器的支架上固定兩個相互垂直的圈（地平圈和子午圈），其內還有若干個可繞地軸平行轉動的圈，分別代表赤道、黃道、時圈、黃經圈等。在可轉動的圈上，附有繞中心旋轉的窺管，用以觀測天體。現陳列在南京紫金山天文臺的渾儀，為明朝正統年間（1437—1442）所造。中國最早的渾儀係西漢時天文學家落下閎創製。落下閎，複姓落下，名閎，字長公，巴郡閬中（今屬四川）人，精通天文，擅長曆算，受漢武帝徵聘，官居太史待詔。他曾與鄧平、唐都等創制《太初曆》，測定過二十八宿赤道距度（赤經差），並首先提出交食週期，以135個月為朔望之會。

最佳賣點

最佳賣點 : 本書全面介紹中國古代科學儀器的發展與應用，涵蓋天文、地理、繪圖、力學、熱學、聲學、電磁與光學等多個領域。透過豐富的歷史資料與具體實例，展現古人觀天測地、度量製圖的技術智慧與工藝成就。內容深入淺出，圖文並茂，既具科學價值，也富文化底蘊，是探索古代科技脈絡的優質讀物。