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第16章 由金王冠掺假引发的浮力定律

在古老的叙利亚,有一次,国王赫农王想制作一顶纯金的王冠,因为王冠是至高无上的王权的象征,便找来了全国手艺最好的金匠为他制作精美的王冠。做好后,国王疑心工匠在王冠中掺了假或者别的金属,但这顶王冠的确与当初交给金匠的纯金一样重,在外形上就更加看不出问题了。究竟工匠有没有捣鬼呢?既想检验真假,但又不能破坏王冠,这个问题不仅难倒了国王,也使诸大臣面面相觑、束手无策。

国王便把这个难题交给了全国最聪明的人——阿基米得。最初,阿基米得冥思苦想了多日,也没有找到好的办法。有一天,他去澡堂洗澡,当他慢慢坐进澡堂时,阿基米得注意到他的胳膊浮到水面。他的大脑中闪现出模糊不清的想法。他又把胳膊完全放进水中,全身放松,这时胳膊又浮到水面。他从浴盆中站起来,浴盆四周的水位下降;再坐下去时,浴盆中的水位又上升了。他躺在浴盆中,水位则变得更高了,而他也感觉到自己变轻了。他站起来后,水位下降,他则感觉到自己重了。一定是水对身体产生向上的浮力才使得他感到自己轻了。

他望着溢出来的水,突然兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得穿,大声喊着”尤里卡!尤里卡!“(意思是”我知道了“)就跑了出去。

原来,水的外溢给了他灵感,让阿基米得想到,可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定王冠的比重。他兴奋的回到皇宫,要当着国王和工匠的面做一个实验。

王宫的大厅里挤满了好奇的大臣们,国王与造金冠的工匠也在场。大家都紧紧地注视着阿基米得的一举一动:只见他首先拿出了一块跟当初国王给金匠同样的纯金,接着取出金冠,又让人准备了两个盛满水的小盆,这两个小盆又放在两个空着的大盆内。做好了这些准备,他把王冠和纯金分别放入两个小盆里,水立刻溢到了大盆中,接着,阿基米得让人比较两盆溢出来的水,发现放工冠的盆里溢出来的水比另一盆多。此时,阿基米得向大家宣布道:这金冠掺了假!因为王冠的体积比相同重量的纯金的体积大。

围观的人群都发出了一阵惊叹,可是阿基米得还不满足,他仔细测量了水的重量,在一旁演算起来。最终,他利用金、银的密度和水的重量,精确的算出了工匠到底掺了多少银。当他宣布自己的结果时,那个工匠目瞪口呆,再也无话可说,被国王命人带了下去。

阿基米得出生在叙拉古的贵族家庭,父亲是位天文学家。在父亲的影响下,阿基米得从小热爱学习,善于思考,喜欢辩论。长大后漂洋过海到埃及的亚历山大里亚求学。他向当时著名的科学家欧几里得的学生柯农学习哲学、数学、天文学、物理学等知识,最后通古博今,掌握了丰富的希腊文化遗产。回到叙拉古后,他坚持和亚历山大里亚的学者们保持联系,交流科学研究成果。他继承了欧几里得证明定理时的严谨性,但他的才智和成就却远远高于欧几里得。他把数学研究和力学、机械学紧紧地联在一起,用数学研究力学和其他实际问题。保护叙拉古战役中的机械巨手和投石机等就是最生动的一个例子,有力地证明了”知识就是力量“的真理。在亚历山大里亚求学期间,他经常到尼罗河畔散步,在久旱不雨的季节,他看到农人吃力地一桶一桶地把水从尼罗河提上来浇地,他便创造了一种螺旋提水器,通过螺杆的旋转把水从河里取上来,省了农人很大力气。它不仅沿用到今天,而且也是当代用于水中和空中的一切螺旋推进器的原始雏形。阿基米得在他的著作《论杠杆》(可惜失传)中详细地论述了杠杆的原理。

有一次叙拉古国王对杠杆的威力表示怀疑,他要求阿基米得移动载满重物和乘客的一艘新三桅船。阿基米得叫工匠在船的前后左右安装了一套设计精巧的滑车和杠杆。阿基米得叫100多人在大船前面,抓住一根绳子,他让国王牵动一根绳子,大船居然慢慢地滑到海中。群众欢呼雀跃,国王也高兴异常,当众宣布:”从现在起,我要求大家,无论阿基米得说什么,都要相信他!“上面讲到的金王冠的故事,阿基米得又做了很多次试验,他把差不多同样大小的石块和木块同时放入浴盆,浸入到水中。石块下沉到水里,但是他感觉到石块变轻。他必须要向下按着木块才能把它浸到水里。这表明浮力与物体的排水量(物体体积)有关,而不是与物体的重量有关。物体在水中感觉有多重一定与它的密度(物体单位体积的质量)有关。

最终,在《论浮体》一书中,阿基米得从一些明晰的公理出发,通过严密的逻辑论证,建立了他的浮力定律。阿基米得首先假设,液体具有这样的本性,在其粒子均匀分布和连续的情况下,较少受挤压的粒子将被受挤压较多的粒子挤出去;液体中的个别粒子将受到它上面粒子的垂直压力。根据这个假设,阿基米得首先证明了静止液体的表面是球形的,且球心与地心相一致。因为若不如此,液体的一部分将比另一部分受压更多。根据假设,将导致受挤压较少的液体粒子的移动,这就和静止液体的假设相矛盾。

接着,阿基米得又证明了如下命题:

与液体有相同比重的物体(在体积相同的条件下与液体有相同的重量)浸入液体中时,其上表面完全不突出,但又不会沉下去多深;比重比水小的物体将浮起。

推论一和推论二合在一起就是浮力定律,又称阿基米得原理。概括起来讲就是:浸在水中的物体所失去的重量,等于它所排开的水的重量;浮体所排开的水的重量等于它自身的重量。阿基米得的证明方法简单而深刻,以阿基米得为代表,古代的方法论也达到了最高点。浮力的大小可用下式计算:F浮=ρ液(气)gV排。

阿基米得发现的浮力定律在航海等领域有重要意义,密度等重要的物理概念也通过浮力定律得到发展。一直到现代,人们还在利用这个原理比重和测定船舶载重量等。现在物理学上用来测算不溶于水的、不规则的固体密度,一般都是采用这种方法。在称量出物体的质量后,将它浸没在标有刻度的容器的水中,分局前后水位高低变化可以求得它的体积,单位体积内的质量即为它的密度。事实上,在王冠一事中,纯黄金的密度是一个定制,掺杂后它的密度就变了,而阿基米得正是这样求了2次密度:

王冠密度=王冠质量/王冠体积(克/厘米纯金密度=纯金质量/纯金体积(克/厘米问题便迎刃而解了。

阿基米得也因为他的先进的论证方法和科学活动,一直得到各个时代科学家的高度评价。达·芬奇是阿基米德的崇拜者;伽利略以阿基米得的继承人自居;莱布厄兹评价说,了解阿基米得的人,对后代杰出人物的成就就不会再那么钦佩了。20世纪的美国数学家、哲学家怀特海说过,数学的天才同物理学的洞察力兼而有之的阿基米得,可以和在他之后的牛顿相提并论。

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