阿基米德浮体原理

阿基米德浮体原理

公元前287年，阿基米德出生于古希腊西西里岛东南端的叙拉古城。当时古希腊的辉煌文化已经逐渐衰退，经济、文化中心逐渐转移到埃及的亚历山大城;但是另一方面，意大利半岛上新兴的罗马帝国，也正不断地扩张势力;北非也有新的国家迦太基兴起。阿基米德就是生长在这种新旧势力交替的时代，而叙拉古城也就成为许多势力的角力场所。

阿基米德的父亲是天文学家和数学家，所以受家庭影响，他从小就十分喜爱数学。大概在他9岁时，父亲送他到埃及的亚历山大城念书，亚历山大城是当时世界的知识、文化中心，学者云集，举凡文学、数学、天文学、医学的研究都很发达。阿基米德在这里跟随许多著名的数学家学习，包括有名的几何学大师欧几里得，奠定了他日后从事科学研究的基础。在他众多的发现当中，阿基米德原理是最为重要的发现。这还要从下面的故事讲起……

国王请金匠打造了一顶纯金王冠，做好了以后，国王怀疑金匠不老实，可能造假掺了“银”在里面，但是又不能把王冠毁坏来鉴定。怎样才能检验王冠是不是纯金的呢?于是国王把这个伤脑筋的问题交给了阿基米德。可是阿基米德想了好久，一直没有好方法。

有一天，他在洗澡的时候发现，当他坐进浴盆里时有许多水溢出来，这使得他想到了:

“溢出来的水的体积正好应该等于他身体的体积，所以只要拿与王冠等重量的金子，放到水里，测出它的体积，看看它的体积是否与王冠的体积相同。如果王冠体积更大，这就表示其中造了假，掺了银。”

阿基米德想到这里，不禁高兴地从浴盆跳了出来，光着身体就跑了出去，还边跑边喊“尤里卡!”尤里卡!(我发现了)”。

果然经过证明之后，王冠中确实含有其他杂质，阿基米德成功地揭穿了金匠的诡计，国王对他当然是更加地信服了。但实际上，因为王冠至少有头那么大，所用的容器也必然比王冠大，而金匠掺银的前提是不会使王冠颜色发生显著改变，所以也不会掺太多银，王冠比金块多出的体积也不会太多，所以即使王冠比金块多出的体积使水面上升，也不会十分显著，以阿基米德时代的测量技术，很难比较出王冠与金块的体积差异，即使有差异，也不能排除是实验中误差所致，一个更可能的方案是:阿基米德把王冠与金块放在天平两头，将天平置于有水的浴缸中，哪端更轻，则哪段体积更大。最终发现王冠体积更大。

后来阿基米德将这个发现进一步总结出浮力理论，并写在他的《浮体论》著作里，也就是:物体在流体中所受的浮力，等于物体所排开的流体的重量。阿基米德为流体静力学建立了基本的原理。而这一原理也被称为阿基米德浮体原理(或直接称为阿基米德原理)。

“磁力”的发现

1601年的一天，英国伦敦女王卧室里的帷幔掀开了，从里面走出了一个年过50的中年男子。他头戴黑色高帽，身穿黑色服装，系着黑色披肩。在一个小桌前面他停住了脚步，往自己的背包里放了点东西，然后对紧随其后从帷幔里走出来的女王说道:

“陛下圣体已见康复，愿主永赐大英女王健康!”

他说完，躬身行了个宫礼，女王挥了挥手，他又行了个宫礼后便走了出去。

看这个人的穿着打扮很像当时的医生。是的，他正是英国伊丽莎白女王一世的私人医生——英国物理学家威廉·吉尔伯特。

吉尔伯特于1544年5月24日出生于英国科尔切斯特城。他父亲是首席法宫和市议会的议员。由于家庭条件较优越，使他的学习生活比较顺利。

吉尔伯特

吉尔伯特在故乡读完了中学后，1558年5月入剑桥的约翰专科学校学习，相继获得了科学学士、艺术硕士学衔，1569年又取得医学博士学位。同时他被接纳为剑桥科学协会的会员。

不久，他动身去欧洲大陆旅行，在欧洲获得物理学博士称号。

无论是在旅途中，还是在英国本土，吉尔伯特始终致力于医学实践，并取得了巨大的成就，赢得了较高的声望。1573年，他被选为英国皇家学会会员，并担负了许多要职，1600年当选为该学会会长。由于他医学成就卓著、名传四海，1601年被任命为伊丽莎白女王一世的私人医生。

吉尔伯特离开女王伊丽莎白后，伊丽莎白独自一人，沉思不语。她对自己的医生很满意。女王心想:“他的确医术很高明，果真是名不虚传。用他做私人医生真是再好不过的人选了!”然而女王觉查到，医生并不满意自己身处宫廷的生活。的确，吉尔伯特没有白花年俸100镑的薪水，他工作认真尽职，但却从不参加上流社会的活动。由于某种原因他总是躲避交际场合，他的大部分时间都是在他的住宅里度过的，那是宫廷拨给他作为女王私人医生的专用宅邸。特别是当她听到，有人说吉尔伯特在他的宅邸里进行某种神秘的试验，更使女王疑惑不解。女性的好奇与女王的尊严在伊丽莎白的内心深处斗争着、矛盾着，于是她坐立不安。假如派人监视，看他如何度过空闲时间，结果将会怎样呢?她知道，这样做不太好，还是自己亲行为佳。

于是，她击了一掌，吩咐走进来的宫女:“请赛斯尔勋爵立刻前来见我。”

宫女行完礼走了出去。赛斯尔·威廉·伯利勋爵似乎早就在门外恭候，立刻走了进来。他是国务秘书，也是女王信赖的顾问。

“早安，陛下。”赛斯尔行礼问候。他很关心女王的健康，当他听说最近几天来一直折磨着伊丽莎白的背痛已经好了之后，顿时表现出安稳的神态。

“是的，我的好吉尔伯特治好了我的病。”伊丽莎白说道，“但是，身为英国女王，我一定要注意本国的臣民，拯救他们的灵魂，关心他们的生活与敬神方式。”她的声音里突然间出现了一种庄严的语调。

赛斯尔勋爵听罢疑惑不解，感到心神不安，刚想问女王有什么旨意，可是话音还没有吐出唇外，伊丽莎白又说道:“您去通知吉尔伯特大夫，今天下午，我想让他给我看看他在家里都干些什么。告诉他，我亲自去看他。”

“陛下，我担心……”赛斯尔勋爵本想加以劝阻，但是，女王的决心已经下定了。

“去吧!”她简单地命令道，“不要忘了，今天下午您陪我去。”

不错，吉尔伯特在家里确实做着神秘的实验。

吉尔伯特除医学实践之外，他还积极地进行自然科学研究。在电学与磁学现象的独创研究上取得了巨大的成就。他发现并仔细地描述了用天然磁石(磁铁矿石)摩擦铁棒，使铁棒磁化的方法。他又发现被磁化的金属丝处在向地球磁极方向偏转的位置上，如果铁在磁化之前经过锻造，这个效果就更强了。

他是一个出色的铁匠，而且还掌握了不少其他手工艺。这些条件使他能在崭新的实验基础上来研究磁力现象。例如，他发现铁在被烧得通红的情况下，其磁性就消失了。

吉尔伯特善于继承和发展前人的实验工作，经过自己实验得到了大量磁力现象，建立了重要的理论体系。他曾按照马里古特的方法，制成球状磁石，并在其上划出子午线，同时证明了表面不规则的磁石其磁子午线也是不规则的。他还证明了诺曼发现的磁倾角的存在。马里古特是13世纪的物理学家，他曾对磁石进行过大量的实验，后来诺曼在1581年出版的《新奇的吸引力》一书也记叙了他的大量有关磁现象的实验。诺曼曾发明过罗盘，发现过磁倾角，实验测定过磁力不具有重量，还得出过磁力只是一种定向力而不是运动力的结论。

他研究过地球磁场。为了进行这项研究，他使用了特殊的、自制的指南针，并得出了结论，认为地球本身就是一个大磁体，其磁极就在地极附近。

应该指出的是，吉尔伯特认为最强的磁体是罕见的、珍贵的天然磁铁，这一点是他在磁学研究中的宝贵贡献。他从事过各种电效应的研究，并发现不仅是琥珀，而且还有许多其他东西都可以摩擦生电。吉尔伯特在广泛的实验工作和理论研究的基础上，结出了丰硕的成果——《论磁体》。该著作共6卷，于1600年出版。它为电磁学的产生和发展奠定了重要基础，因而吉尔伯特被后人誉为“磁学之父”。

前面谈过，女王已派人到吉尔伯特宅邸送了圣旨:“下午女王要来亲临视察。”上午9时半吉尔伯特接到圣旨。(https://www.daowen.com)

吉尔伯特如同往常一样，又到“赫姆普希尔双头羊”酒馆里同朋友们坐在一起，吃酒、用饭、畅谈科学中的许多问题。

吃过午饭，这群人坐在一起开始聊了起来。他们对吉尔伯特的实验都很关心。吉尔伯特是个快乐而真诚的人，他有许多朋友，其中有些人在当时颇有名气。其中有一位正与其他人亲切谈话的就是知名的航海家和旅行家弗朗西斯·德雷克，另一位就是托马斯·卡文迪什。

从前，在吉尔伯特家里经常举行这样的聚会，然而自他担任女王的私人医生以后，他不得不搬进宅邸，他们只能偶尔在某个小酒馆里聚会一下。

吉尔伯特击掌请大家安静。

“我的朋友们，”他半庄重半戏谑地说道，“最后，我向你们讲一讲关于我所得到的最大荣耀。”

朋友们你一句，我一句，顿时响起了喧哗的声音，其中一位笑着问道:

“什么荣耀，你的为人已是十分令人敬佩了。”

大家哄堂大笑。

吉尔伯特做了个让大家安静下来的手势。

“今天我接到了通知，午饭后大英女王要亲临视察，观看我的试验室。”

于是，震耳的喧笑声重新又传了出来。

“仁慈的女王伊丽莎白万岁!”

“这可要庆祝一番!”有人喊了起来，“哎，老板，请再把酒拿来!”

这天下午，吉尔伯特的实验室里，不像往常那样寂静和凄凉，一些最显贵的人物都聚集在这里。伊丽莎白女王在桌旁上座就坐，宫女们和贵族随员们簇拥在她身后。与吉尔伯特站在一起的是赛斯尔勋爵，为使视察进行得顺利，他负责安排好一切。

“这是磁体和琥珀。”吉尔伯特转身对女王说，“它们之所以享有盛名和光荣，是因为许多学者提过它们的名字。借助于它们，有些哲学家解释了各种秘密。好学不倦的神学家们在解释人类感情里的宗教秘密时，同样也常常依赖于磁体和琥珀。”

伊丽莎白女王是个非常笃信上帝的人，不高兴吉尔伯特过于大胆地涉及这个题目。因此，当吉尔伯特提到神学家时，她的脸色顿时发生了变化。

可是吉尔伯特并没有看到这一情景，继续说道:

“而以伽林为首的医生们，就曾用磁体来解释过泻药的作用。但是，他们并不了解磁力现象的原因和所观察到的琥珀现象有根本的区别，而把这两种现象称为引力。他们虽然将这些现象进行了比较，但他们却始终迷惑不解。这就使他们进而再犯错误。”

吉尔伯特拿起一块琥珀，接着说下去。

“琥珀在希腊语里是埃列克特伦，经过毛皮的擦拭，它就开始吸引细小的草枝和干果皮”。

说罢，他立即将刚才所说的现象向来宾做了表演。

“我发现不仅琥珀有这种特性，许多宝石、硫磺、玻璃，甚至火漆也都具有这种特性”。

吉尔伯特拿起一根玻璃棒，将它擦了几下，于是干草枝和果皮屑都顺从地从桌子上蹦到了玻璃棒上。

来宾看到这奇异的现象，不由得鼓起掌来。显然，他们都在期待看别的奇迹!只有女王对此试验的兴趣不大，指着桌子上的手稿，要求吉尔伯特念给她听。

“德玛格耐特，玛格耐提西斯克……”吉尔伯特开始读起来，但女王打断了他的话。

“得了吧，亲爱的吉尔伯特!拉丁语并不使我感到悦耳，你最好还是用我们古老的、中听的英语给我讲讲吧。”

当吉尔伯特接下来讲述他的实验时，女王则回忆起了往事……

在议院首次会议之前，她曾颁布过指令，要求在祈祷仪式中只能讲英语以代替拉丁语。同时，她还带领臣民们用英语祈祷。她制定了新教教会的教规，而她本人则是新教的首领。

是的，正是因为这个原因，在吉尔伯特解释他的试验的时候，来宾们都兴奋异常，而女王却默不作声。

吉尔伯特结束了演讲后，躬身行礼。来宾们都纷纷准备退席。可女王伊丽莎白却在椅子上一动不动地又坐了好一会儿。

“您知道吧，亲爱的吉尔伯特!”她沉思着说道，“您这本书如果是用拉丁文来写，那反倒更好。我觉得没有必要让更多的人来了解这一切事情……”

当然，吉尔伯特通过实验驳斥了许多迷信的说法，动摇了神权的统治，女王不会赞同的。可是，由于他医学水平较高，女王也只好对他的创举默然不语。

吉尔伯特终生独身，但是他与科学却结成终身伴侣。他除了研究医学、化学和磁学以外，还研究了天文学，并置身于第一批以新的、革命的观点来宣传地球和天体运动的英国科学家之列。他在宇宙结构的问题上，详尽阐述了大胆的见解，他接受了哥白尼的观点，是英国教会认为第一个接受哥白尼观点的“异端分子”。他认为，星球与地球之间的距离在不断的变化中。假如在吉尔伯特时代的2000年以前，毕达哥拉斯虚构的天球最终被证明是不存在的话，那么，首先推测出什么力量使行星保持在它们的轨道上的是吉尔伯特。他认为使行星保持在其轨道上的力量是一种磁性引力。

1603年3月，伊丽莎白女王一世死后，吉尔伯特又成为詹姆斯一世的私人医生，可是为时不久，9个月后，即1603年12月lO日，这位学者在科尔切斯特城因染鼠疫而暴卒。

吉尔伯特在临终之时，将自己的私人图书馆、地球仪、仪器和矿石标本全部遗赠给皇家医学学会的一所医科大学，遗憾的是后来在一场大火中，这些遗产全被烧毁。