科学发明(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：舒银霞

出版社：中华书局

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科学发明试读：

出版说明

为什么过年放鞭炮？为什么重阳要登高？为什么额前的头发叫“刘海”？为什么乱涂乱画叫“涂鸦”？……生活中，我们会遇到很多这样的问题，乍一看平平常常，但要把来龙去脉说得明明白白，却未必那么简单。

就像每一条溪水都有源头，每一个今天的现象，都有历史的影子。了解现象，探究过去，能满足我们的好奇心；而一个“为什么”的解答，会牵出新的“为什么”，许许多多的“为什么”，消长连缀，可照出整个中华文化的轮廓——我们愿与读者分享这样的体验：寻找，回答，联想，生发。因此，我们推出了“中华文化十万个为什么”丛书。

本套丛书本着知识性、趣味性、时代性的原则，专注于解答与中华传统文化有关的问题，编写时按照专题、领域进行分类，分别为华夏历史、地理名胜、礼仪称谓、中华智慧、神话传说、多彩汉语、人文思想、文苑英华、文化精华（2册）、民俗风情、节日节气、体育娱乐、科学发明、军事外交、园林建筑、衣食住行、学习教育、缤纷艺术、身体生命。共计20册，分辑推出。

丛书以“一问一答”的形式呈现。设问力求生动有趣、简洁通俗，贴近当代读者的阅读需求。回答注重知识性与趣味性，语言风格明快活泼，不做繁琐考究，适量引用古代经典，在原题的基础上有所扩展。

问答配有插图与图注，让读者更直观地了解相关的历史文化知识。

生僻字词标出汉语拼音，配以简注，帮助读者扫清阅读障碍。

本套丛书由精通中华文化、乐于分享知识的专业人士协力完成，感谢他们辛勤而有益的劳动。中华书局编辑部

1 古人的一个小发明有效发挥了马匹的力量，这是个什么样的发明？

马是人类的忠实伙伴，它们气力大，行走快，在古代人们的生产、生活中起着重要作用。使用马匹，就要将马和马车连接在一起，还要保证马能自如地行走、出力。做到这一点并不容易。古人一个小发明，让马发挥出了最大的效能。这个小发明就是马挽具。

马挽具主要有三种，分别是项前肚带挽具、胸带挽具和肩套挽具。公元8世纪之前，西方的挽马工具只有项前肚带挽具。它把一条皮带套在马的脖子上，用另一条皮带勒住马腹。马出力时，皮带不可避免地滑向咽喉。马出力越大，跑得越快，皮带就更有力地勒住咽喉。这种挽具难以有效地发挥马的速度和力量，反而成了马的束缚。项前肚带挽具

在我国，马力却得到了充分的利用，这主要得益于科学、巧妙的胸带挽具的发明。早在春秋时期，人们已经使用了可靠的马挽具。这时候的马挽具是脖子上方的一个硬轭（è），硬轭上穿有与车辕相连接的绳子，人们又增加了一根套在胸部的皮带，使马的负重由胸骨和锁骨来承担，马怎样出力都不会影响到马力的发挥。这样的挽具显然比项前肚带挽具先进多了。后来，人们去掉了硬轭，完全以马胸前的皮带为牵引，这种挽具更符合马的生理特点，马行走、出力更加方便了。胸带挽具

肩套挽具也叫颈圈挽具，这是我国古代利用马匹的最优良的发明。通常认为，颈圈挽具出现在我国西汉时期，就是把一只颈圈套在马颈下部，完全解放了马的呼吸通道，使马的牵引力可以得到有效的发挥。为了配合颈圈挽具的使用，我国古人还发明了车前横木，使颈圈挽具上的挽绳可以直接套在车前横木上，马颈受力更加均匀。这样一来，马力就得到了充分地发挥，马作为生产力，大大促进了人们生产效率的提高。肩套挽具

2 我国古代体积巨大的青铜器是如何铸造出来的呢？

我国的青铜器主要指从夏朝晚期到先秦两汉的青铜器物。青铜器，顾名思义，其材质为青铜，是铜与锡、铅的合金铸造出来的器物。商周时期是青铜器发展的鼎盛时期，出现了众多的青铜器物，其中不乏体积巨大的青铜器，如商朝最大青铜器司母戊鼎，重达832.84公斤。如此巨大的青铜器是如何铸造出来的呢？

青铜器的铸造方法有两种，一种是整体一次铸造成型，一种是分体多次铸造铸接成型。整体一次铸造成型的方法叫作“块范法”。所谓“块范法”，就是先通过铸造“外范”和“内范”来确定鼎的模型，然后在“范”中添加青铜溶液一次铸造成型的铸造方法。它一般用来制作体型巨司母戊大方鼎是商王为祭祀母亲戊而作的祭大、结构简单的青铜器件。“外器，是迄今为止出土最大、最重的青铜器。范”一般选用陶或木、竹、骨、石等各种质料作为底坯。形状细长扁平的器物，用竹、木削制底坯；小巧玲珑的器物，用骨、石雕刻为底坯；比较大的鼎、彝等器物，则选用陶土来塑成底坯。底坯表面的形状、花纹和即将铸造出来的青铜器物完全一致。底坯做好后，外层用特制的泥土敷上，等到半干，再用刀划成若干块范，然后揭下来一一做好标记。内范的制作方法和外范基本一致，它塑造的则是器物的内部，内范外壁要和器物内部的大小、尺寸完全吻合。块范做好后，工匠们根据铸造要求，对它们仔细打磨、加工。随后，工匠把内、外两个范合在一起，再把熔化的青铜液倒入范中。等到溶液冷却，除去内范和外范，青铜器就铸成了。如果青铜器结构复杂、造型奇特怎么办呢？工匠们会把它分成各个部分，分体多次铸接成型，这就是分铸法。比如殷墟妇好墓出土的卣（yǒu）（古代一种盛酒的器具，口小腹大，有盖和提梁）样式非常奢华，它就采用了分铸法，分两次从五个部位铸接，才把七个部件和卣体联成一体。再如著名的四羊方尊体型较大，造型复杂，也是用分铸法铸造的。铸造一件体积巨大的青铜器，则往往需要块范法和分铸法的结合，这种铸河南安阳殷墟妇好墓出土的龙头成过程，实在是一种大规模的生产过程提梁卣和复杂的工艺过程。

3 地震发生时，地动仪为什么能发出警报？

地震是一种自然现象。地球内部运动引发地壳震动，于是发生了地震。地震带来了巨大破坏，也给人类带来了极大伤害。由于对地震的深深恐惧，古代的人们一直在努力寻找和探索预测地震的方法。东汉时期，科学家张衡发明了可以探测地球内部运动的候风地动仪。地震发生时，地动仪就会发出警报，这包含了什么原理呢？

张衡出生于官宦家庭，他从小聪明好学，在文学、数学、天文学方面都表现出极好的天赋。成年之后，张衡被征召到京城做官。在京城洛阳，张衡完成了许多科学研究与发明，候风地动仪就是张衡在这一阶段的发明之一。

候风地动仪用精铜铸成，外形看起来像一只大酒杯，表面雕刻着各种图案、文字。地动仪顶部是个隆起的圆盖，内部中央是一根铜质的大柱子，叫做“都柱”，这根柱子是地动仪内部的核心，它其实是一个倒立的惯性震摆，相当于现代地震仪的重锤。都柱旁有8条通道，通道外部有8条龙，按东、南、西、北、东南、东北、西南和西北8个方向布列。龙头和内部通道中的机关相连，每个龙头嘴里都衔有一个铜球。8只蟾蜍蹲在地上，个个昂头张嘴，正对着龙头。某个地方发生地震时，震波传来，倒立惯性震摆就会触动杠杆，使该方位的龙嘴张开，吐出铜球，铜球落入蟾蜍口中，发出响声，这样就告诉了人们地震发生的方向。

候风地动仪发明之后，人们一直不相信它的神奇能力。公元139年，仪器西边方向龙嘴里的铜球忽然掉了下来，这说明京城以西发生了地震。几天之后，陇西果然派人到京城来报告地震的情况。地动仪的可靠性从此得到了印证。

候风地动仪是世界上第一架地动仪，在世界地震测报史上具汉代候风地动仪复原图有里程碑式的意义。直到1880年，也就是在张衡发明地动仪1700多年之后，西方国家才发明了近代意义上的地震测报仪，在原理上与张衡发明的地动仪基本相似。

4 圭表是古代记录时间的钟表吗？

圭（guī）表是一种古老的天文仪器。它是一个直角的形状，由一根垂直的“表”和一个平放的“尺”组成。那么，圭表是做什么用的呢，它是古代记录时间的钟表吗？

远古的时候，人们并没有准确把握时间的工具，只能靠太阳在天空的位置来判断时间。后来，人们发现树、人、房屋等在太阳光的照射下会投下影子。这些影子有时候长、有时候短，根据时间的变化呈现出不同的形态。于是，人们发明了一种测量影子的简单仪器，这种仪器就是圭表。

准确地说，圭表并不是记录时间的工具，而是一种把握和总结时间规律的仪器。使用圭表时，人们把圭平置于表的北面。太阳照射着表的时候，圭的上面就会出现表的影子。人们根据影子的方向、长度来测量和比较日影在每日、每月、每年的变化。经过长期观测，古人发现一天之中表的影子在正午最短，早上和傍晚影子则较长，又发现一年之内夏至的正午表的影子最短，冬至的正中国科学院南京紫金山天文台的午表的影子最长。人们连续两次测得表圭表的影子的最长值，算出这两次最长值之间相隔的天数，就确定了一年的时间长度是365天多一点。同时，人们根据连续观测到表的影子的长度，划分出四个季节，制定了严密的历法。古人对圭表的使用越来越有心得，甚至还确定了某些圭表适用的地理纬度。用圭表测影，是我国古代推算历法的主要手段之一。

我国现存最早的圭表，是1965年在江苏仪征东汉墓出土的汉代圭表。这个圭表用铜制成，表和圭的边缘上刻有尺寸。表高汉制8寸，相当于现在的19.2厘米，圭长汉制1.5尺，相当于现在的34.39厘米。圭与表之间用枢轴连成一个整体，使用时就把表与圭垂直，不用时表可以折叠，放进圭体留出的空档内。精巧的形态和设计，说明汉代在圭表的使用上已经到了非常成熟的阶段。到了元河南登封天文台的外形是个巨大代，天文学家郭守敬在河南登封建造了的圭表一座测景台。它由一座40尺高的高台和向北平铺的被称为“量天尺”的大路组成。高台是一座巨大的表，平铺在台的北面的大路就是圭。郭守敬于1280年完成了著名的历法《授时历》，这个巨大的圭表无疑对历法的制订起了重要作用。用圭表推算历法的传统一直延续到明清时期，今天的南京紫金山天文台上还保存着一个明代圭表，见证着我国古代人民的聪明和智慧。

5 现代的天文馆用光电子技术呈现天体的运行情况，其实宋代就有了这样的天文仪器，它是什么样的？

很多人都见过天文馆内巨大的穹顶式银幕。银幕上完全重现了太空的真实场景，那些恒星、流星以及其他各种各样的天体在各自的轨道上穿梭、运动，让人们不由得感叹宇宙的神奇。其实，早在宋代，人们就用仪器来模拟天象了。他们是怎么做到的呢？

这种仪器叫做水运仪象台，是用来呈现天体的运行情况的一种天文仪器。水运仪象台能形象、立体地演示天象的变化，类似现在的3D展现。水运仪象台的设计者叫苏颂，他被称为“宰相科学家”，和著名政治家王安石是同榜进士，在宋仁宗、英宗、神宗、哲宗、徽宗五朝为官。苏颂精通天文和医学，同时还是一位发明家。1088年，苏颂在京城汴梁制成了水运仪象台，在当时引起了轰动。

这台仪器广泛吸收了在此之前各种天文仪器的精华，并灵活运用了民间机械设备―水车、桔槔（jié gāo，俗称“吊杵”，是一种原始的井上汲水工具）、凸轮和天平等，融浑仪、浑象和报时为一体，简直就是一个自动化的天文台。

从外观上看，水运仪象台是底座为正方形，下部宽、上部略窄的木质建筑。它高约12米，底宽约7米，共分作3大层。上层是一个露天的平台，放着观测日月星辰位置的浑仪。浑仪上面覆盖着9块木板屋顶，可随意开闭，能多角度、多方位地观察运行中的恒星。中层放置浑象，浑象由东向西转动，一昼夜转动一圈，表现星辰起落的变化。下层包括报时装置和仪器的动力装置。报时装置北宋水运仪象台复原图为5层可自动开关的木阁，木阁中各有1个木人，到了报点时刻，门内的木人就会准时出来报时。不用担心这个自动装置的动力，它的发明者匠心独运，在木阁后面放置着高精度的漏壶、漏刻与机械传动装置，漏壶中的水冲动机轮，驱动传动装置，循环往复。只要有水，整个仪器就能持续有效地运行。

苏颂依据这套仪器实测、绘制了两套星图，绘星1460颗，达到了当时世界上的最高水准。遗憾的是，1127年北宋灭亡，水运仪象台被金兵毁坏。苏颂为水运仪象台所作的设计说明书《新仪象法要》却流传了下来。《新仪象法要》图文并茂，以图为主，详细展示水运仪象台总体以及各部分的结构，并且均附有文字说明。据此，中国历史博物馆曾复原出了水运仪象台的模型，虽未能重现它的所有功能，但现代的人们还是有幸能一睹水运仪象台的风采。

6 我国有世界上最早的潮汐学专著，古人对潮汐运动规律的计算准确吗？

潮汐是沿海地区的一种自然现象。在太阳和月亮的引力作用下，海洋水面会出现周期性的涨落，白天称为潮，夜间称为汐，总称潮汐。早在三国时代，我国就出现了论述潮汐的作品。吴国大臣严畯写了一篇《潮水论》，可惜文章早已失传。到了唐代，《海涛志》问世，这是世界上现存最早的潮汐学专著。《海涛志》的作者叫窦叔蒙，唐朝人。他的生平已经无法考证，只能大致推断他生活在唐朝中期，是现在的浙江东部人士。我们只能大概推测，窦叔蒙出生在浙东地区的海边，从小伴随着海浪和波涛生活。经过天长日久的观察与记录，他掌握了大量第一手潮涨潮落的数据，写成了《海涛志》一书。《海涛志》共分为总论、论涛数、论涛时、论涛期、论朔望体象、论春秋仲涛解六大部分，条分缕析地分析了潮汐生成、运动以及周期变化。总论当中，窦叔蒙论述了潮汐形成的原因，他认为潮汐现象和月亮之间存在着某种必然联系，而且还有一定的规律，即海洋潮汐随月亮运行轨道的变化而变化。论涛数当中，潮汐运动规律示意图窦叔蒙进一步说明，海水每天有两次潮汐涨落。每月的朔日与望日（农历的初一和十五）分别有一次大潮，上弦和下弦时（每个月农历十五之前的月亮为上弦月，月牙朝上；下半月为下弦月，月牙朝下）各有一次小潮。朔日和望日后的第三天开始，潮汐逐渐递减，然后再渐渐增长，到了朔望时期达到最大。潮汐就是这样循环往复，无始无终。在长期观察的基础上，窦叔蒙发现两次潮汐循环在时间上有所推迟。经过计算，他得出两次潮汐循环推迟的时间为50分钟28．04秒，这和现代潮汐学的研究结果相差并不大。为了进一步说明潮汐的运动规律，在论涛时这一节中，窦叔蒙运用数轴，创制了图表来表示潮汐涨落和月亮圆缺变化的对应情况，即先在图上列有月亮圆缺情况，然后画出相应的潮汐变化图，人们就从图中一目了然地看出潮汐如何“循环周始”。这是我国最早的高低潮时预报方法。《海涛志》是一本非常古老的著作，到了北宋时期，《海涛志》六章已经残缺不全。幸运的是，清代的《海潮辑说》搜录到了《海涛志》全文，为我国潮汐学研究留下了宝贵资料。

7 古代史书上常常出现“客星”的记录，客星是什么星呢？

从商代到清代，史书中有记载的新星和超新星约有90颗。1054年，人们在金牛座附近发现了一颗特别明亮的客星。它突然出现，历时两年才慢慢黯淡下去。这一发现被记录在宋代的《宋会要辑稿》上。一千年后，这一记录得到了现代科学界的回应。天文学家先是借助望远镜在这颗星的位置上发现了蟹状星云，随后又证实，这个蟹状星云正是1054年出现的一颗超新星的遗迹，这与《宋会要辑稿》的记录是完全吻合的。二十世纪以来，随着射电望远镜的问世，我国古代对新星和超新星记录的价值更加显现出来。我国古代对彗星的记录达500次以上，今天，天文学界经常会参照我国古代的彗星记录来研究彗星的周期和回归等问题。

8 没有现代化的仪器，古代天文学家是如何观察日月星辰的？

古代的天文学家观察日月星辰，除了依靠肉眼，也有一种专门的仪器——浑仪。

最早出现在史书记载中的浑仪，是西汉时期的天文学家落下闳制造的。他从家乡蜀郡来到国都长安，为汉武帝制订《太初历》。为了取得准确的天文资料，落下闳制造了一架浑仪来观测日月星辰。不过，落下闳坦承，他只是按照前人留下的尺寸和规格制造了这架仪器，自己并不是它的发明者。可见，浑仪发明的时间，要远远早于汉武帝的时代。浑仪得名于古人的一种宇宙观——浑天说。浑天说认为，天包裹在地的周围，日月星辰围绕着大地，像车轮一样旋转运行。根据这种理论，要确定日月星辰的坐标，就要以人站立的大地为中心。所以浑仪从外形上看是一个由许多个同心圆环组成的中国科学院南京紫金山天文台的浑仪球形，一个同心圆环对应一种天体运行轨道。用于支撑这些同心圆环的叫做极轴。早期的浑仪比较简单，只有两个同心圆和一根金属轴。一个同心圆垂直于地面，叫做赤经环；一个同心圆平行于地面，叫做赤道环。圆环上面都标有刻度。金属轴与赤经环相交于两点，形成北天极与南天极。金属轴是一根可以绕着中心旋转的窥管。当古人要确定这两个圆环上任意一星星的位置时，只要用窥管对准这颗星星，根据赤道环和赤经环上的刻度，就可以确定这颗星星在天空中的坐标位置了。随着古人对天体认识的逐渐深入，浑仪的环数也在不断增加。唐代李淳风发明的浑天黄道仪，在原来赤经环、赤道环的基础上增加了黄道环，整个仪器也由原来的两层变为三层。外层叫六合仪，包括地平圈、子午圈和赤道圈。中层叫三辰仪，由白道中国科学院南京紫金山天文台的简仪环、黄道环和赤道环构成。里层叫四游仪，包括一个四游环和窥管。此外，唐代天文学家一行发明的黄道游仪也比较有代表性。它们的工作原理与最原始的浑仪大致相同，但因为增加了“环”，也就增加了另外的参照坐标，可以更为精确地测量天体位置。

这些精密的浑仪体型庞大，结构复杂。人们在观测时，重重叠叠的圆环经常会阻挡视线，操作起来很不方便。从北宋开始，古人开始简化浑仪，这就出现了简仪。简仪，顾名思义就是简化了的浑仪。元代科学家郭守敬发明的简仪，一是将原来的多环观测装置变为两个独立的观测装置，白道环、黄道环都被取消，只保留赤道装置和地平装置；二是创增百刻环，原来的窥管被新发明的百刻环取代，百刻环被等分成100刻，分为12个时辰，每刻又分作36分，通过观测百刻环上的刻度可测量天体的地平方位和地平高度，观察、定位、测量更为简便了。和结构复杂的浑仪相比，简仪只由两个互相垂直的大圆环组成，看上去也简约了很多。简仪的出现，正是古人对天文观测的理解和掌握更进一步的结果。

9 为什么古人总是用预测日月食来检验历法是否准确？

古代没有望远镜和计算机，人们是怎么预测日食和月食的呢？一方面，在长期的观察中，人们总结出了一些规律，能够根据经验大致推断日月食的时间。比如，日食一定发生在每个月的初一，月食一定发生在每个月的十五，但并不是每一个初一和十五都有日食、月食发生。另一方面，更科学的方法，就是根据严密的历法来预测和计算日月食的发生。历法是人们为了生产实践的需要而创立的较长时间的纪时系统。我国春秋时的《夏小正》、汉代的《太初历》、南北朝时的《大明历》、唐代的《大衍历》和《宣明历》以及元代的《授时历》等都是我国著名的古历。阴2009年7月22日日全食轨迹：由不丹切入我阳合历是我国古历的特色，它既国境内，途径西藏、四川、重庆、湖北、河包含了太阳运动与气候变化之间南、江西、江苏、浙江等地。的内在联系，又包含了月亮的运动、月相变化和人们的生产活动的关系。人们还创立了大小月和闰月，把太阳与月亮的运动周期和运动规律巧妙地结合在了一起。正因为这个原因，推算日月食成了历法计算中要求最严格的一项，一部历法是否严密，通常都用预测日食与月食发生时间是否准确来检验。因为对日月食发生时间近乎痴狂的关注，古人很早就在历法中给出了计算和预测日月食的具体方法。西汉时期，天文学家落下闳根据历代积累的观测数据，在《太初历》中测算出了135个月的日食周期。魏晋时期，天文2011年12月10日我国观测到的月全食轨学家杨伟在《景初历》中提出了迹，这次月全食历时三个半小时。日食初亏方位角和偏食程度的计算方法。唐朝天文学家一行研究了43次日食和99次月食之后，在他编写的《大衍历》中给出了一套计算因为观测位置不同而产生视差的经验公式。清朝学者王锡阐所著的《晓庵新法》一书，提出了日月食初亏和复圆方位角计算的新方法，并计算出了1681年9月12日发生的日食。应该说，古代预报日食和月食是比较准确的，很经得起考验。偶尔也有不准的时候，主要原因有两个：一是我国古代宇宙模型建立得不太正确，西方在近代研制出能够通过模拟太阳、地球和月亮运动而预测日食的仪器，而中国古代并没有用这类仪器预测日食；二是历法计算的精确度相对于现在的计算水平并不是很高。

10 古人也是用星座来划分天空的吗？

无论古今，为了更好地观察天象，都有必要对广阔无垠的天空进行区域划分。由于恒星是天上最亮的星星，所以人们划分区域时，常常以恒星作为标志，国外用星座说划分，将天上的耀眼的恒星想象并组合成某种具体的物象，如巨蟹、白羊等。1930年，国际天文学联合会为了统一繁杂的星座划分，用精确的边界把天空分为八十八个正式的星座，使天空每一颗恒星都属于某一特定星座。在我国古代又是怎样来划分恒星区域的呢？

早在先秦时期，我国就开始对天空区域进行划分了，只不过那时候还比较原始，由于对恒星认识不足，并没有以它作为参照物来划分天空，而是按照“四象”等方位来划分的。这“四象”就是四个方向，即东方青龙、北方玄武、西方白虎、南方朱雀。因为“四象”过于宽泛，这种做法还不能称为真正意义上的星座说，也不利于古人对星象的观察与记录。最迟在战国时期，我国古代创造出了有中国特色的星区划分体系，那时的古人发现的恒星已经有几百颗了，为了更好地认识它们和观测天象，他们开始对天上的恒星进行分组，一共分有二十八个组，被称为二十八星宿。《甘石星经》是由我国战国时代湖北随州战国曾侯乙墓出土的绘有二十八星的天文学家甘德和石申制作的星宿图像的漆箱表。在这本星表中，它把恒星从北极向南划分成不等分的二十八群，各以一个字来命名，虽然这本书已经失传，但湖北随州的战国曾侯乙墓的墓葬中，出土了绘有二十八宿图像的漆箱盖，间接证明了在战国时期古人用二十八星宿来划分广袤无极的天空。二十八星宿的提出是中国古代天文学的重大创造，它不仅以恒星作为参照来为天空划分区域，而且还为这些区域确定了具体的名字，方便观察恒星与天象。二十八星宿可以说是具有现代意义的星座说了。由于二十八星宿都是比较耀眼的恒星，我国古代常常以二十八星宿的出没情况和位于头顶时的时刻来判断季节、修订历法，还通过它们来观察日、月、五星运行。“二十八星宿说”在汉代得以传承，最迟在西汉时期还出现了更为复杂的“星官说”。“星官说”是“二十八星宿说”的发展。由于古人对恒星认识的深入，他们以恒星作为参照划定的天空区域也必然增多，二十八星宿已经不能满足命名需要，古人又认为朝廷官员都是天上的星星下凡，所以他们开始习惯用皇权统治机构来命名这些恒星或者恒星江苏苏州市石刻博物馆的石刻天文图群。《史记·天官书》中录有91个星官。到三国时，吴国的太史令陈卓以恒星为参照，定了283个星官。隋唐时期，出现了一部总结性的星象著作《步天歌》，以诗歌形式通俗地介绍了中国古代对全天星官的认识。它记录有283星官，1645颗恒星，还附有星图与文字相对照。所有这些都说明古人对恒星及天象的认识在加深，对天空区域的划分也越来越清晰精准。随着“星官说”的完善，越来越先进的记录恒星数量及位置的星表纷纷出现，世界上现存最古老的石刻星图苏州石刻天文图刻于宋代，由于当时“星官说”已经相当成熟，所以它所标识的恒星位置非常准确，而且全图呈现的银河也很清晰。

古代“二十八星宿说”及“星官说”的出现与完善，为古人认识天空以及天文历法的修正做出了不可磨灭的贡献。

11 用来灌溉的坎儿井还有防御功能吗？为什么被称为“地下长城”？

坎儿井与万里长城、京杭大运河并称为中国古代三大工程，而且还被称为地下的“万里长城”。它与长城有何关系呢？难道它也像万里长城一样具有防御功能吗？坎儿井是我国西北干旱地区的一种古老的灌溉系统。在干旱荒漠地区，人们巧妙地通过地下渠道，把地下水引导至地面，用来灌溉田园、供应生活，这种地下渠道就是坎儿井。传说坎儿井是神农氏的发明，关于坎儿井的最早形态则出现在《史记·河渠新疆地区坎儿井内部书》当中，司马迁称它为“龙首渠”，这是一种用几口连续的深井引出水流的工程，被人们认为是后来坎儿井的雏形。西汉时期，西汉政权取得西北地区的大片土地，也把这种技术带给了当地百姓，逐渐发展成为坎儿井。

坎儿井为什么能引出地下水呢？它的原理是这样的：在有一定高度的高地上找到水源，然后按照一定间隔，由高到低打出数口深井，井的底下用暗渠挖通，一端直通地下水，一端直通地面，各口井实际上形成了一个连通器，地下水便通过暗渠被引导出来，方便人们使用。我国西北地区气候干旱，降水较少，可周围的山脉中却蕴含着丰富的地下水，为建造坎儿井提供了便利条件。因此，千百年来，坎儿井成了广阔的西北地区使用最广泛的灌溉手段。

从整体构造来看，坎儿井主要由竖井、暗渠、地面渠道和涝坝（即蓄水池）四部分组成。竖井不仅是通向地面的通道，同时也是井内的送气通风口。一条坎儿井有十多个到上百个竖井，竖井与竖井之间的距离一般为20坎儿井结构图——70米，井深因地势和地下水位高低而有深有浅，最深可达90米，井口则有圆有方。暗渠是坎儿井的主体，一般高2米，宽1米，最长可达25公里。挖掘暗渠是一项艰苦繁重的工程，地下作业面狭小，地下水寒冷刺骨，人们往往跪在冰水中劳动。在整个坎儿井工程体系中，暗渠具有非常重要的作用，它不但能导出水流，还能减少水的蒸发，同时还保证了水质的纯净。人们根据需要，选择合适的地点修建了涝坝，方便蓄水。有了坎儿井的帮助，干旱的戈壁变成了葱翠的绿洲。在新疆吐鲁番一带，坎儿井的总数达1100多条，全长约5000公里，因此它们被称为保障人们生活和生产的“地下长城”。

12 水车是一种取水工具，古代的龙骨水车真的是用龙骨做的吗？

在古代，我国农田灌溉使用的是一种木制的汲水装置——龙骨水车。这个奇特的名字是怎么来的呢？它真的是用龙骨做的吗？龙骨水车构造图

龙骨水车又叫翻车。它的发明者是东汉末年的宫廷发明家毕岗。东汉末年，汉灵帝不理朝政，喜欢大兴土木，修建了繁华的宫殿和巍峨的城池。龙骨水车就是专门为都城洛阳郊外一条大路洒水的环卫工具。三国时期，发明家马钧改良了龙骨水车，使它变成了灌溉设备，广泛地运用到了农业生产当中。龙骨水车主要由水槽、叶板链条、叶板、轮轴等部件组成。装好叶板的链条安置在矩形的水槽当中，水槽的上下两端各装有一只轮轴，上端是一只大轮轴，下端则是一只小轮轴。使用水车时，把水槽一部分和小轮轴没入水中。转动大轮轴时，叶板链条带动底部的小轮轴也开始旋转，同时叶板不停地把水刮上来，从1994年我国发行的古代科技发明纪念币中水槽的上端将水送出。这种装置的龙骨水车纪念币构造简单，运转稳定，可以有效地把河流、湖泊中的水汲入农田。龙骨水车是纯粹的木质结构，因为叶板链条看上去就像一条粗壮的脊骨，由此得到了“龙骨水车”这个名称。

最初的龙骨水车是用人力转动的，人们踩动大轮轴上的拐木，就能使一架龙骨水车运转起来。后来，出现了由多个龙骨水车联合的水车，多人合力，多车汲水，效率大大提高。南宋初年，出现了以畜力作为动力的龙骨水车，在当时得到了广泛运用，由风力、水力转动的龙骨水车也随即出现。元代农业学家王祯的《农书》上描述了一种由水力带动的龙骨水车，它的动力装置安装在水流很急的河边，借助水的冲击力来带动龙骨水车，机械的运用水平达到了新的高度。

龙骨水车在我国有两千年的历史，对我国古代的农业生产起了不可估量的作用。今天，在南方的一些农村，我们还能看到它的身影。

13 自动筒车是利用什么动力把水抽上来的呢？

北宋时的《太平广记》记述，唐朝初年，一个叫邓玄挺的人去寺院烧香，看到寺院僧人用自动筒车浇灌菜园，省时省力，方便自如，感到颇为惊奇。既不用人力，更没有电力，筒车就能不停地旋转，水就会不停地被提上来倒进菜地。这是怎么回事呢？筒车究竟是用什么做动力把水抽上来的呢？我们来看看筒车的结构和工作原理。筒车的主体是一个竖立的大转轮，可以非常灵活地转动。转轮的边缘有许多片竹制或木制的轮叶，轮叶之间装着许多只竹制或木制的小筒。小筒的安装非常精巧，随着转轮的旋转，上升方向的小筒筒口总是略微朝上，下降方向的小筒筒口总是略筒车模型微朝下，在转轮的底部和顶部，小筒则保持着水平方向。筒车的侧旁，安装着一只倾斜的水槽，小筒的筒口正好对着水槽中间，小筒中的水正好经由水槽流入庄稼当中。筒车只能在水流较急的河流边上安装使用，要保证大转轮的底部能没入流水当中。工作时，没入水中的小筒里盛满了水，水流冲击大转轮，使转轮转动，转轮上的小筒也随着转动，把筒里的水倾泻到一只木槽中，使流水自动灌入高处的田地。也就是说，筒车是因地制宜地运用了水流的力量来抽水的，可以说非常巧妙。后来，水车不断得到改进。王祯的《农书》里提到一种高转筒车，能把水提到很高的高度。岸上和水中各安装一个转轮，两个转轮中间用竹子制成的竹索相连，索上绑着竹筒。水中的转轮借助湍急的河水冲击，通过竹索带动岸上的转轮，竹筒不断汲水，循环往复，效率很高。这种筒车适用于水比较低而岸很高的情况。筒车的历史可以追溯到唐朝。大诗人杜甫在《水春》一诗中，就有“接缕垂芳饵，连筒灌小园”一句，这里的“连筒”指的就是筒车。南宋时期，将领郭浩在四川安康开垦田地，准备军粮，曾经大规模地使用筒车，当高筒水车复原模型图地至今保留着“筒车河”、“筒车垭”、“筒车沟”、“筒车湾”等地名。宋代之后，筒车继续广泛地应用在人们的生产生活当中。今天，在我国的一些地区，河岸上依然能看到筒车的身影。

14 《汉书》记载，一个人播种可以“日种一顷”，这是怎样做到的？

在遥远的原始社会，农人的播种工具非常简陋。农人用一根尖头木棒在田地里挖出一个个小窟窿，扔进种子，再用木棒挑土盖住种子，这就完成了播种。这个阶段，农人播种的效率是相当低的。后来，人们又发明了耒（lěi）、犁、铧（huá）等翻土、播种工具，播种效率不断得到提高。西汉的时候，出现了可以规模化播种的农具——耧车。

耧车又称耧犁，根据造型分为两脚耧犁和三角耧（lóu）犁。它的发明者叫赵过，是西汉著名的农业专家，汉武帝任命他为搜粟都尉，专门教老百姓耕地和养殖。耧车由耧架、耧斗和耧铲组成。几根木条搭成一个斜面和一个平面，就是耧架。耧架上放着耧斗，耧斗里放着种子，耧斗下方有很小的开口，正对着开耧车模型口的位置装着耧铲。播种时，牛或马在前面牵引着耧车，耧铲刨开前面的土地，人在后面控制着方向，边走边轻轻摇动耧车，种子就从耧斗的开口滑下，掉进耧铲挖开的土沟中，撒种完毕，再覆上土。有耧车的帮助，一个人“日种一顷”并不是什么难事。后来，耧车又得到了改进，人们使用耧车能一次性完成开沟、下种、覆土等作业。到了元代，人们还创造出了一种下粪耧车，使耧车同时还具有了施肥的功能。耧车不仅大大地提高了播种的效率，而且还能保证种子行距、深度与疏密的一致，方便将来的田间管理与收割。

为了让种子与土壤紧密结合，充分吸收水分和肥料。人们在用耧车播种以后，还用一种叫挞（tà）的工具来善后。挞用树枝编制，形状像今天的扫帚。人们在挞上压着重物，用牛或马牵引着，在播种后的田地里一拖而过。宋元以后，人们创造了砘（dùn）车，这是一种压实工具，它的结构是木轴架着直径一尺多的圆石头，外形类似独轮车的车轮。砘车用牛马来拉，跟随在耧车之后，压平耧车破开的土壤，让种子与土紧密结合，既免受鸟雀啄食，又容易发芽。砘车现在还在北方一些地区使用着，保持着持久的生命力。

15 现代农业有高效率的收割机，古代也有收割机吗？

和其他农具一样，我国的收割农具也经历了漫长的发展过程。商周时期，人们的收获农具是简陋的石刀、蚌刀、石镰。随着青铜器的出现，有了铜铚（一种短镰刀）和铜镰等工具。战国时期，人们掌握了冶铁技术，铜铚和铜镰逐渐被更为坚利的铁铚和铁镰所代替。西汉时，铁制镰刀成为了最主要的收割农具。从西汉到近代，镰刀一直是农人手中最重要的农具之一，为农业社会做出了重大贡献。遗憾的是，镰刀工作面小，收割速度慢。于是，人们开始尝试发明一种收割范围大、效率高的镰刀，宋元时期，出现了自动化的推镰。

元代王祯的农学著作《农书·农器图谱》上详细介绍了推镰的结构和尺寸大小，并用图画的形式描绘了推镰的形状。推镰为木头所制，柄大约七尺长，方便手握，接触地面的一端分为两个叉，叉中嵌着镰刀，两叉中间用横木贯通，横木两端各有一只小轮。使用时，农人手握木柄，推着推镰，推动庄稼地里的稻、麦。随着木轮的滚动，麦秆和稻秆被纷纷切断，省力又省时。推镰的工作方法，类似于现代的手推割麦机。《农书》中强调说，推镰“推拥捷胜轮走元代王祯《农书·农器图谱》中坡”，也就是说，这种工具在不平坦的田绘制的推镰地也可以轻松运转，很好操作。推镰可以说是我国古代的收割机。

遗憾的是，这种收割工具后来却失传了。《农书》出现之后，有人按照书中的介绍仿制出了推镰，却不是很成功，无法重现传说中的高效率。现代学者曾对推镰的工作效率提出了异议，认为从现代机械原理上看，推进式收割器如果没有剪式切割装置，不管镰刀如何锋利，也只能推倒稻秆和麦秆，并不能顺利切断。与这种观点相对，也有学者充分肯定这种收割工具的先进性。无论如何，推镰是古代人民在收割工具上的大胆革新，却是毫无疑问的。

16 竹蜻蜓被称为“中国螺旋”，它和直升机上的螺旋桨有什么关系？

竹蜻蜓是一种古老的玩具，早在西晋时期，道教学者葛洪在《抱朴子》当中就有对它的描述。千百年来，竹蜻蜓一直深受中国孩子喜爱，直到今天我们依然能看到它的身影。竹蜻蜓外形呈T字形，上面的一横是一只竹片，竹片的正中钻一个小孔，插一根笔直而纤细的竹棍，就形成了T字的一竖。两手搓转竹棍，竹蜻蜓便会旋转飞上天空，升力减弱时，又会慢慢地落到地面。远远看去，就好像一只蜻蜓在飞起和落下。因为它用竹子做成，所以叫作竹蜻蜓。

竹蜻蜓为什么能升上空中呢？这是因为竹蜻蜓旋转时，旋转的叶片形成向下的强风，空气则给竹蜻蜓一个向上的反作用力，当反作用力大于竹蜻蜓的重量时，竹蜻蜓便飞了起来。把竹蜻蜓水平安装，竖直地安放叶片，所做成的装置叫做“风车”。风车的叶片往往用几种竹蜻蜓的外形呈T字形颜色做成。当风车在风中转动的时候，颜色迅速变换，华丽炫目，让人目不暇接。和竹蜻蜓的原理相同，风车的叶片旋转时，也会带动着风车前进。

人们很早就注意到了竹蜻蜓的奥妙。明朝末年，苏州有一个巧匠叫徐正明，看着拔地而起的竹蜻蜓，他萌发了制造一把会飞的椅子的念头。经过10多年的钻研，他终于造出了一架会飞的机器。这种机器有一个竹蜻蜓一样的螺旋桨，有一把用来坐人的圈椅，机器中有齿牙交错的机关。踏动踏板，螺旋桨开始转动，机器就飞离地面。这架机器能飞起一尺多高，几十米远，能飞越一条河流。可以说，这就是直升飞机最古老的形态。

明清时期，竹蜻蜓传到法国，并且在法国科学院进行了飞行表演。看着小小的竹蜻蜓飞向天空，人们啧啧称奇。由于竹蜻蜓的叶片像陀螺高速旋转，人们给了它一个称呼―“中国陀螺”。在西方，被誉为“航空之根据竹蜻蜓的形状和原理，发明了直升机的父”的英国人乔治·凯利从小对螺旋桨竹蜻蜓感到好奇。1796年，他在深入研究了竹蜻蜓之后，仿制和改造了竹蜻蜓，并由此琢磨、设计出了螺旋桨。他的螺旋桨研究给后来的直升机提供了很多灵感。1878年的圣诞节，美国俄亥俄州的一对兄弟得到了一件圣诞礼物——一只竹蜻蜓。他们对这个能轻易地飞上天空的小巧玩具惊奇不已，模仿、制造了许多不同尺寸的竹蜻蜓，并从此与飞行结下了不解之缘。他们就是美国的著名发明家莱特兄弟。20世纪30年代，德国人根据“中国螺旋”的形状和原理，发明了直升机的螺旋桨，使直升机飞上了蓝天。

17 指南针为什么不叫“指北针”？

指南针在指示南方的同时也指示着北方，可它为什么不叫“指北针”呢？我们先来看看指南针的历史。古代人们在劳动、生活当中接触到了磁铁矿，发现了磁石的指向性。后来，人们发明了具有指南功能的司南。东汉思想家王充在《论衡》中，对司南的形态做了详细的描述。从外观上看，古代司南司南由一把勺子和一个地盘组成。勺子是由一整块磁石制成的，磁南极那一端被磨成勺子的长柄。地盘是一个铜质的方盘，中央有光滑的圆槽，四周刻着表示24个方位的格线和文字。勺放入圆槽可以灵活地转动，当它静止下来的时候，长柄总是指向南方。司南以“南”来命名，正是由于它的长柄指向南方这一特征。

不以“北”命名还和人们的传统习惯有关。在古代，人们习惯依靠星辰来辨别方向。由于我国位于北半球，观察位于北部天空的北斗七星非常方便，因此北斗七星一直是人们判断方向的依据。同时，人们很容易根据北斗七星的位置找到明亮的北极星，因此也常常依靠北极星来确定北方。用北斗星和北极星指示北方，在我国有着几千年的历史，成为了一种传统与习惯。因为这种根深蒂固的文化心理，其他指示方向的工具就都不以“北”来命名了。

指南针出现以后，最初叫作“罗盘针”。“指南”一词最早出现在张衡《东京赋》中“幸见指南于吾子”一句，意思是感谢友人，幸好有您来为我指示方向。后来，人们就把能够指示方向的罗盘针叫做了“指南针”。宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中，对指南针指南的情形做了生动的描绘，他还制造出了旱针今天的指南针和水针等指南针，为现代指南针的基本结构原理指明了方向。在漫长的发展历程当中，指南针的磁勺逐渐由粗变细，慢慢改进成菱形的指针形状。虽然它一端指南，一端指北，但人们习惯了“指南针”的叫法，习惯成自然，就不会叫它“指北针”了。

18 我国古代也有立体地图吗？

立体地图是以三维立体形式来表示各种地理现象的地图，也称3D地图。它能直观地描绘地表的形态，真实地展示山川、河流的面貌，被广泛地运用在各个领域。那么，我国古代也有立体地图吗？

答案是肯定的。传说夏朝时铸造象征天下九州的九鼎，在九只大鼎上刻上反映山川名胜的图案，秦汉时人们在香炉和罐子上雕刻想象中的蓬莱仙山的地图，这都可以说是立体地图的最早雏形。司马迁在《史记》中记载，秦始皇陵中以水银为江河和大海，模拟了真实的地面世界，这也可以说是一种立体地图。秦汉时期，军事将领们已经能在准确描绘地形特征的沙盘上拟定计划、制订战略。东汉时，西北地区的军阀隗嚣叛乱，光武帝准备亲征，对能否取胜没有把握。将军马援便做了一幅立体地图，为皇帝讲解军事态势。他以糯米为材料，准确形象地制作出了山谷、河流，把敌我双方的形势描绘得清清楚楚。根据这幅地图，汉军一举扑灭了叛乱，马援也得到了汉武帝的嘉奖。马援的作品，已经是比较成熟的立体军事地图了。

真正意义上的立体地图出现在北宋。宋王朝对能反映山川形势的立体地图十分重视，一方面命令地方定期编绘造送，另一方面也根据需要专门派人到地方绘制，以方便行政管理。1069年，科学家沈括出使辽国，当时北宋和辽国处于敌对状态，为了解对方的地理形势，沈括一路上仔细勘察，根据自己所见绘制了一幅非常详细的《使契丹图钞》。这幅地图用面糊和木屑做材料，在木板上制成了各种立体模型，山岭、河流、道路、城镇一目了然。这幅图制成后，给北宋的边防和外交政策带来了很大帮助。后来，沈括还制作了木刻立体模型地图，制作地图的材料和工艺越来越成熟了。南宋时期，一个叫罗大经的人撰写了一本《鹤林玉露》，专门记载当时文人士大夫的逸闻趣事。书中描述，南宋大文学家朱熹酷爱山水，为准确寻觅路径，记录地理情况，他用胶泥和木材作材料，制作了一幅能反映山川形势、风景名胜的《华夷图》。《华夷图》雕刻在八片木板上，可以折叠，出门时由一位仆从背在背上。可惜，朱熹的制图工作最终没有完成。不过，从这个故事当中，我们也不难想象当时立体地图制作的兴盛景况。今天的三维立体沙盘

19 现代地图学家们用比例尺来绘制地图，古人根据什么来绘制地图？

比例尺，指的是图上距离比实地距离缩小的程度。地图学家们绘制地图时，必须依靠比例尺来确定比例，使地图距离能准确地描绘实际距离。那么，古人绘制地图靠什么呢？他们也用比例尺吗？答案是肯定的。用比例尺绘制地图的方法在东汉时期就出现了，被称为“定量制图法”。

定量制图法是我国东汉时期的科学家张衡发明的。他最先把矩形网格坐标应用于地图，通过计算网格中横轴和竖轴的坐标来确定地面上的具体位置。采用这个办法，可以免除图形本身（比如大山或河流）对图上距离的干扰，而且方位和距离的计算更加精确。张衡发明的矩形网格坐标有点像今天的照相微缩技术，成功地缩小了实际距离在地图中的尺寸，为比例尺的运用奠定了基础。这种精确使用地图坐标的基本原理，被他写进了《算罔论》一书。

后来，西晋科学家裴秀对张衡的定量制图法进行了改进，提出了绘制地图的基本原则——“制图六体”，即“分率”、“准望”、“道里”、“高下”、“方邪”和“迂直”。这六个方面是相互联系、相互制约的，其中排在第一位的“分率”就是比例尺，用来标明地域的长度、宽度以及面积的大小。裴秀还制成了我国最早的地图集《禹贡地域图》，共有地图18幅，都是一丈见方的大型地图。这些图按照“一分为十里，一寸为百里”，也就是1∶1800000的比例绘制。这是当时最完备、最精准的地图。裴秀绘制的地图并没有保存下来，现在我们能见到的只有他为这套地图集所写的序言，但他提出的“制图六体”理论却得到了后世的广泛认可。

在裴秀的影响下，唐代地理学家贾耽采用“制图六体”的方法，组织数名画工花了17年的时间绘制成了《海内华夷图》，图的面积约10平方丈，同样是“一寸折百里”的精确比例尺，达到了当时制图的很高水平。宋代的《禹迹图》是地图史上的又一巨制。此图刻在一块石碑上，长宽仅一米多，它描绘的是传说中夏朝大禹时期贡物运输的情宋代《禹迹图》，存于陕西西安碑林况，图上有横格70个、竖格73个，共计5110个方格，比例尺约为1：5000000。著名汉学家、英国学者李约瑟称赞此图是“当时世界上最杰出的地图，是宋代制图学家的一项最大成就”。

20 《三国演义》中诸葛亮发明了“木牛流马”，它们的样子像“牛”和“马”吗？

可以肯定的是，木牛和流马都是车子。车在我国有着悠久的历史，从已出土的文物来看，车在夏朝时就出现了。轮子是车最重要的部件，早期的轮子就是光独轮车复原模型图滑的圆木，人们滚动圆木，可以方便地移动放在上面的笨重的器物。后来，圆木削成了木轮，人们又给木轮装上轴，使它可以方便地转动。造型完整、美观大方的马车出现在3000多年前的殷商时期。早期的车子都是单辕、双轮。到了汉代，人们把车从单辕改进到双辕，车的构造也更加复杂。用来运输的独轮车便出现在汉代，中间只一个小轮，不论地况如何，无论是在平原、山地还是狭窄的小路，都可以随意使用。这种操作简单、方便实用的独轮车，千百年来一直是劳动人民重要的运输工具。诸葛亮的木牛流马，就是它们的衍生品。

21 现在的汽车可以自动计算里程，古代也有可以计算里程的马车吗？

今天的汽车可以自动计算里程，古代的车辆也有这种功能吗？我国古代确实有一种会自动计算道路里程的车辆，这就是记里鼓车。记里鼓车又叫“记里车”、“司里车”、“大章车”，它有每行一里路就击一下鼓、每十里就敲一下钟的功能，因此得名。有人说记里鼓车是汉代张衡的发明，也有典籍记载，它的制造者是三国时期的科学家马钧。西晋的《古今注》里有关于记里鼓车的山东长清县汉代孝堂山画像石中的《鼓车图》，图中官员乘坐的车辆即为记里鼓车最早的描绘，它分上下两层，上层有一座钟，下层置一面鼓，每一层有一个头戴高冠、身穿锦袍的木头机械人。车每走一里，下层的木头人就击鼓一次，鼓被击十次后，上层的木头人就敲一下钟。根据击鼓和敲钟的情况，人们就能知道走了多少里程。记里鼓车并不在人们日常生活当中使用，它是皇帝出行时的仪仗车。皇帝出巡时，在漫长而华丽的仪仗队伍里，由四匹马牵引的记里鼓车排列在车队的第二位。它装饰华美，色彩灿烂，为缓慢行进的队伍记录着路程。最中国人民邮政发行的记里鼓车纪念邮票早的记里鼓车没有顶盖，南北朝时，人们为它增加了车顶，使车的形态看起来更加雍容和华贵。汉朝时，记里鼓车拥有一支13人的仪仗队，到了宋代，这支队伍增加到了30人。这个时候的记里鼓车是赤红色，四面画着花鸟图案，车身有精美的雕刻和装饰，它的头部则是凤首的形状，造型非常华丽。记里鼓车像是依仗队伍里的总指挥，掌握着队伍行进的节奏，同时彰显着皇帝的尊贵和威严。

那么，记里鼓车为什么能准确地报告行驶里程呢？原来，车的内部装有一套齿轮系统，马匹拉记里鼓车向前行走，带动齿轮组转动。车行一里时，其中一只齿轮牵动击鼓的木头人，木头人便扬起手臂击一下鼓。车行十里时，齿轮组的其中一只齿轮牵动敲钟的木头人，木头人便敲一次钟。记里鼓车是近代里程表和减速器发明的先驱，被科学家称为“中国古代的机器人”。

22 橹板是船舶的一种推进工具，它为什么叫这个名字？难道和鲁班有什么渊源？

橹板也叫橹，是我国古代的一种划船工具。橹的历史非常古老，在长沙出土的西汉船模中就已经出现了橹。在广州，考古人员发现一只汉代的木船模型上有10支桨和1支橹。可见，橹的发明可以追溯到遥远的秦汉时期。

橹是在桨的基础上发展演变而来的，但是工作效率却远远高于桨。橹的形状和桨相似，但是长度大大加长。桨通常安置在船的两侧，橹则靠在船尾。操船时，宋代张择端《清明上河图》中的船只有着灵操桨的动作是划，操橹的动作则活省力的长橹是摇，置于船尾的橹摇动起来好像是鱼的尾巴，更和仿生学相吻合。橹在入水的一端有一个弧形的剖面，划动时形成推力，推动船只前进。在摇橹的过程中，橹可以改变角度，控制船的方向，起到船舵的作用。同时，橹在工作中始终不露出水面，能够不间断地摇动，使船拥有持续的动力。此外，橹用起来还非常省力，它利用了杠杆原理，支点设置在橹的中央位置，只要稍稍加力，橹就能大幅度摆动，产生很大的推动力。古人有“一橹三桨”的说法，认为橹的效率可以达到桨的三倍。橹发明之后，因为它的高效和方便，所以被广泛地运用在各种船只上。直到今天，在仍使用木船的一些地区，我们还能看到橹的身影。有这样一个民间传说，春秋时期的发明家鲁班看到鸭子游水，很受启发。他找来一根木棍，把木棍上半截削成圆形，做出鸭子的腿，把木棍的下半截削成扁平状，做出鸭子的脚蹼。然后，把这只“鸭脚”安在船尾，摇起橹的工作位置船来不但省力，船只也走得飞快。为了纪念鲁班，人们就把这种摇船的工具叫做“橹板”。其实，橹板这个名字和古代的造字法有关系。橹字由“木”和“鲁”组成，“鲁”的本来意思是鱼儿摇动尾巴，加上“木”字旁表示木制的会摇动的鱼尾，贴切地描绘出了这种摇船工具的鲜明特征。因为橹呈一片木板的形状，所以又叫“橹板”。这才是“橹板”这个名字的真正来历。

23 古代有一种不怕进水的船，即使船身出现了洞，船也不容易沉没，这是怎么回事呢？

在大江大海上航行的船只，如果船身上有了破洞，就有可能进水沉没。为减少这种风险，古人对船舱做了一些改造，即使船身上出现几个大洞，船也不容易沉没。这种船舱就是水密舱。

水密舱的发明灵感可能来源于竹子，人们把竹竿一劈两半，发现竹子里面中空，关节与关节之间有各自独立的空间，这就是“节状空腔结构”。人们根据这种结构，把船舱分割成为各个密闭的独立空间，这就成了水密舱。水密舱的舱壁使用的是坚固的立式隔板，人们在隔板上刷上遇风很快硬化的桐油，再用麻丝、石灰把隔板之间的缝隙紧紧密封起来，即使隔板对面盛满了水，隔板也不容易破损和渗水。厚实的隔板还起到了支撑船体的作用，能帮助船体抵抗海水的横向压力，使船更加坚固和稳定。有了水密舱，一旦船身出现破损，水只能进入其中一个船舱，不会影响到其他的舱室，船仍然能保持一定的浮力，稳定航行。人们有充裕的时间把水舀出，堵塞漏洞，使破损的船只得到维护。除了提供安全保障之外，水密舱还是极好的分类储藏室，不同的船舱放置不同的货品，为商业贸易提供了方便。水密舱还可以作为临时的养鱼池子，渔民们可以把捕获的鱼暂时养在船舱里。这种做法一直被渔民沿用至今。南北朝时期，南朝有一种“八槽舰”。有人猜测，这可能是一种具有8个水密舱的船。唐代时，我国出现了完善的水密舱结构的船。到了宋代，海上贸易非常发达，水密舱的运用也更为福建泉州湾出土的宋代远洋货船上的水密舱广泛。1974年，福建泉州湾出土了一艘宋代远洋货船，尽管只残留了船舱的底部，但13个水密舱结构保存完好。这条船还有一个细节，和现代轮船的设计非常相似：在船舱里，有两条紧贴着水密隔板的，叫做“肋骨”的特殊横木，它们的作用是为了有效地抵御海水对船身的压力。这个细节表明，宋代船只的水密舱技术已经非常成熟。

24 体型庞大的船不容易操纵，古人是怎样让它运行自如的呢？

船要在大江大河上自由自在地航行，必须能灵活自如地操纵方向。最初的船体型小巧，人们只需要一根竹篙或者木桨就能控制它的方向。后来船越造越大，仅仅靠竹篙或者木桨就没有办法控制方向了。

要如何控制大船的方向呢？大约在商代，古人找到了办法，他们在船尾中部增加一条桨，成为尾桨，通过不离开水面的左右摆动来控制船的方向。这种尾桨，人们取了个名字叫“舵桨”。这种舵桨就是后世的导向装置——舵的始祖。从此，船就没有离开过舵。1974年，在湖北西汉墓中出土的木船模型上有五把长桨，其中四把在船的两侧；另一把靠在尾部的舷边，这就是舵桨。船桨也叫柁（duò），东汉刘熙在《释名》中对柁有过解释：“其尾曰柁。柁，拖也，在后见拖曳也，且弼正船，使顺流不使他戾也。”意思是说，船尾后面的装置叫作柁，柁作拖理解，因为它拖在船的尾部。柁还能帮助船只不偏离航向，使它顺利地抵达目的地。由此可见，舵在汉代已经有了广泛的使用，船已经完全离不开舵了。

这种“舵桨”虽然解决了方向控制问题，但也有缺陷。比如，舵桨长长地延伸在船尾后面，在遇到浅滩或靠岸时，人们不容易操纵。另一方面，随着船体变大，桨翼要相应地扩大，人们操纵起来非常费力，如果遇到大风巨福建泉州湾发现的宋代远洋货船模型，船尾有舵桨。浪，那就更费劲了。为了解决这些缺陷，人们进一步改变了舵桨的形状，将之由长形变圆形，同时也改为垂直安装。这种舵被称为垂直舵，它已经完全从“桨”的形状蜕变出来了，成为现代意义上真正的舵。这种舵发明的确切时间，现在还不太清楚。有学者认为，垂直舵大约出现在魏晋时期。

到唐、宋时期，船尾舵日臻完善和成熟。在垂直舵的基础上，人们又开发出开孔舵和平衡舵。开孔舵是在舵叶上开菱形小孔，使舵叶两侧的水相通，这样可以减少操纵舵时的阻力。平衡舵是扩大舵叶面积，使舵叶延伸到舵杆之前，舵杆前后的舵叶接近一致，从而使得水压力比较平衡，这样也可以减少操纵舵时的阻力。南宋海船上还出现了可随水深浅而升降的升降舵。当水深时，则可降下舵，提高舵效；当水浅时，则能提起，以保护舵。这个时期的船舵种类已经比较多了，古人可以依据航行的需要选择不同的舵。

船舵是古人的一项重大发明，有了舵，才有了唐宋时期航海事业的发展和海上贸易的繁荣。即使在技术飞跃发展的今天，船仍然离不开舵，它仍然需要舵来控制方向。

25 郑和下西洋，最远到达非洲的肯尼亚，他是靠什么来导航的？

明代郑和下西洋，航船从江苏刘家港出发，最远到达非洲的肯尼亚，他是靠什么来导航的呢？这就要提到我国的四大发明之一——指南针。

早在秦汉时期，我国同周边的朝鲜和日本就有海上往来。隋唐五代时，中国频繁地与阿拉伯各国进行海上贸易。到了宋代，我国海船经常往返于南太平洋和印度洋的航线上。海上贸易的迅猛发展，与指南针的运用是分不开的。世界上最早利用指南针进行海上导航的是11——12世纪北宋时期的海船，北宋之前，海上航行的人们只能靠日月星辰来确定方位，一旦遇到阴雨天气，就一筹莫展。航海技术引入了指南针之后，人们就能够克服天气的不利影响，使航行更加安全便利。指南针经过不断改进，发展成为精密的罗盘，在郑和下西洋时充当了可靠的导航工具。

古代人十分重视对磁针导航的研究。据说郑和下西洋时，船队带着48只罗盘，但这些罗盘的指针所指的并不是地球的正南正北方向，必须通过专业人员精确的计算予以校正，才能找出正宋元时期用来测定针路的水罗盘复原图确的航向。这得益于北宋科学家沈括所发现的磁偏角现象。沈括在做实验时，发现指南针所指的方向并不是正南方，而是经常微微偏向东方。这个无意间的发现，可以说是自指南针发明以来人们地理知识上的重大进步。有关磁偏角的知识后来被广泛应用于航海事业，对保障航行安全起到了不可估量的作用。

罗盘针路是古代航海家的另一个重要贡献。船行到一个地方，就记下罗盘针上的相应针位，把一路上的针位连起来，整个航行的方向和路线就清清楚楚地标示出来了。元代的《海道经》和清代乾隆年间周煌绘制的《使琉球针路图》《大元海运记》里都有关于罗盘针路的记载。郑和的巨舰从江苏刘家港出发，直到苏门答腊北端，沿途航线就都标有罗盘针路。有罗盘的引导，郑和才得以完成了七下西洋的壮举。

26 古代的桨轮船能日行百里，它为什么能跑得这样快？

417年，东晋大将刘裕率部北伐，在长安城附近的渭水边上与后秦军队展开激战。刘裕手下的将领王镇恶指挥一队水军溯流而上，他们所乘的小船用布蒙起来，从外面既看不到人也看不到船桨，却依然划得飞快。后秦的军队多是北方人，连船都极少见过，更别提这种“没有人划”的船了，因此个个瞪大了惊奇的眼睛。还没等后秦军队回过神来，王镇恶就率部上岸，攻下了长安城。原来，这种船叫桨轮船，船的侧面或尾部装有带桨叶的轮子，就像车轮一样，因此也叫车船。人们踩动桨轮轴，轮轴上的桨叶不断向后拨水，推动船向前驶去。因为桨轮的一小部分浸入水中，大半部分露出水面，所以人们又称它为“明轮”。桨轮船把船桨改换为桨轮，动力方式由船桨的间歇推进改为车轮运转的连续推进，大大提高了船的行进速度，这在船舶技术上是一项重大进步。实际上，它就是轮船的最初形态。清代《古今图书集成》中绘制的车船图南北朝时，科学家祖冲之制造了一艘千里船，据说不用风力，一天能行驶100多里。有人认为这就是早期的桨轮船。南北朝时，南朝的水军将领徐世谱同侯景作战时也使用了桨轮船，当时称作“水轮船”。后来，南朝水军将领黄法抃又制作出了“步舰”，也是桨轮船的一种。唐代时宗室李皋也造出过类似的船只，船身上装有两只圆轮，乘风破浪，比帆船快了许多，在作战中可以大显身手。桨轮船在南宋时期得到了大规模的发展，中型的桨轮船可以载200到300人，大型的船长20至30丈，可以装下1000多人。当时掌握舟船及水运事务的都水监高宣是一位车船专家，他设计制造出了各种大大小小的桨轮船，有4车、6车、8车、20车、24车、32车等各种形制，一车即为一个轮子。可见当时桨轮船制造的发达。2010年上海世博会中展出的以蒸汽为动力的明轮船“黄鹄”号模型

27 唐太宗说“以铜为鉴，可以正衣冠”，如何让一面铜镜变得光亮，可照见人影呢？

铜镜在商、周时期就出现了。这时候的铜镜都是圆形的，镜面较平，镜身较薄，没有装饰，叫作“素镜”。后来，镜子制作越来越精致，呈现出工艺品的特征。西周晚期出现了方形镜，装饰也更加复杂。其实，铜镜的制作材料并不是纯铜，而是铜和锡的合金，也就是青铜。战国时期记述手工业工艺规范的文献《周礼·考工记》记载了铜镜制作的合金比例：铜锡各一半。后来，人们在合金中加入了铅，铅在凝冷时不会收缩，铸出的镜子正面更平整，背面花纹更清晰，大大提高了铜镜铸造的质量。铜镜的铸造方法有“开放式”和“合铸式”两种。开放式就是只有一块镜范（铸造镜子的模具），铸造时把镜范平放，倒入铜合金溶液。合铸式则需要镜背范和镜面范两块镜范。铸镜时，工匠把两范合在一起，从一个很小的开口慢慢注入合金溶液。等到溶液冷却，工匠把范拆开，镜子就铸成了。清代铜镜那么，如何让一面铜镜变得清晰光亮、可以照见人影呢？首先要把镜面打磨平整，人们先用泥土制成一个叫作“定盘”的平面状器物，然后把镜面贴在“定盘”上轻轻旋转，经过这种打磨之后，镜面就变得平整而光滑。然后，人们再用细土和炭来仔细研磨镜面，使镜面变得更加细腻。研磨是制作铜镜最费时、费工的一环，对工匠的技术要求很高。研磨之后，铜锡合金的镜面呈现银白色，有较高的反光率，铜镜就可以使用了。为进一步增加铜镜的清晰度，人们还用锡、水银、明矾等混合而成的粉末来研磨铜镜，研磨出来的镜子几乎可以媲美现代的玻璃镜。铜镜容易生锈，在日常使用中需要经常维护。在古代，打磨铜镜是一种专门的职业，打磨铜镜的匠人随身携带着磨镜铁和磨镜砖，可以使生锈的铜镜重新光亮如新。

28 《诗经》中就有了使用“救生圈”的记载，古人的救生圈是用什么材料做的？

救生圈是一种救生设备，人们在水上遇险时，可以用它来救命。科技发展到今天，救生圈的种类越来越多，使用的材料越来越多样，功用也越来越神奇。在科技相对落后的古代，古人是利用什么材料让自己悬浮在水上的呢？《诗经》中有这样的句子：“匏有苦叶，济有深涉”。意思是说，葫芦干了，可以摘下来挖空挂在腰上，这样就能使身体漂浮在水面上，轻松地渡过河流。庄子在《逍遥游》中也介绍了葫芦的这种用途。他颇为浪漫地描述，把一只巨大的葫芦剖开，就把两个葫芦绑到一起，就成了“腰舟”。可以乘坐着它漂浮在大江大湖之上。看来，古代最原始的救生圈正是这些大葫芦。宋朝之前，在河里、海上谋生的人们大都在船上准备着若干只葫芦，以备不时之需。人们还把几个葫芦绑在一起，以增加浮力，进一步保障安全。古人给它取了个名字，叫作“腰舟”，这种救生圈虽然简陋，但是却也是颇为可靠的。

到了宋代，救生圈有了跨越式的进步。这时候的救生圈和今天的

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