科学家张衡制造地动仪的故事

时间：2024-08-01 09:38:06 炫名人故事

科学家张衡制造地动仪的故事

　　地动仪是一种监视地震的发生，记录地震相关参数的仪器。下面小编就为你带来科学家张衡制造地动仪的故事，欢迎大家分享！

科学家张衡制造地动仪的故事

　　人物介绍

　　张衡(78年—139年)，字平子。汉族，南阳西鄂(今河南南阳市石桥镇)人，南阳五圣之一，与司马相如、扬雄、班固并称汉赋四大家。中国东汉时期伟大的天文学家、数学家、发明家、地理学家、文学家，在东汉历任郎中、太史令、侍中、河间相等职。晚年因病入朝任尚书，于永和四年(139年)逝世，享年六十二岁。北宋时被追封为西鄂伯。

　　张衡在天文学方面著有《灵宪》、《浑仪图注》等，数学著作有《算罔论》，文学作品以《二京赋》、《归田赋》等为代表。《隋书·经籍志》有《张衡集》14卷，久佚。明人张溥编有《张河间集》，收入《汉魏六朝百三家集》。

　　张衡为中国天文学、机械技术、地震学的发展作出了杰出的贡献，发明了浑天仪、地动仪，是东汉中期浑天说的代表人物之一。被后人誉为“木圣”(科圣)，由于他的贡献突出，联合国天文组织将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”，太阳系中的1802号小行星命名为“张衡星”。后人为纪念张衡在南阳建设有张衡博物馆。

　　科学家张衡制造地动仪的故事

　　中国的历史上，除了文人雅士、帝王将相，也有很多的科学家，张衡就是其中很著名的一个。张衡一生做了很多的事情，但是，他最有名的发明就是“地动仪”了。那个时期，经常发生地震。有时候一年好几次。发生一次大地震，就会给老百姓和国家带来很多的伤害。

　　当时的皇上和老百姓都把地震看作是不吉利的征兆，认为是鬼神造成的。张衡却不信神邪，他对记录下来的地震现象经过细心的考察和试验，发明了一个能测出地震的仪器，叫做“地动仪”。

　　地动仪是用青铜制造的，形状像一个酒坛，四围铸着八条龙，龙头伸向八个方向。每条龙的嘴里含着一颗小铜球，龙头下面，蹲了一只张着大嘴的蛤蟆。哪个方向发生了地震，朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来，把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里，发出响亮的声音，就告诉人们那边发生地震啦。

　　公元138年2月的一天，地动仪正对着西方的龙嘴突然张开来，吐出了铜球，这是报告西部发生了地震呀。可是，那天洛阳一点地震的迹象也没有，更没有听说附近有什么发生了地震。于是，朝庭上下都议论纷纷，说张衡的地动仪是骗人的玩意儿。过了没几天，有人骑着快马来向朝廷报告，离洛阳一千多里的金城、陇西一带发生了大地震，连山都有崩塌下来的。大伙儿这才真正的信服了。

　　张衡虽然后来在政治上并不顺利，但是，他的这些科学发明和实验在我国科学史上留下了光辉的业绩。

　　科学家张衡主要成就

　　天学

　　张衡主张浑天说，主张天是球状的，像个鸡蛋，天相当于蛋壳，大地像蛋黄，天把大地包在当中，大地是平面的，周围是水，大地浮在水上。张衡在东方最早正确说明月食，指出月食是由于地球的影子“暗虚”遮掩了月亮而引起的，并测得日、月的视直径约为365.25/730度，约等于0.5度，与现今测值相近。张衡绘制了星图，记录星官124个，星星有2500颗，其中320颗有名字，指出历法制定必须根据实测结果，曾在123年参与历法辩论，反对依据图谶而制定的“甲寅历”。他根据月亮运行有迟疾的规律，以“九道法”为基础提出新历，但未被朝廷采纳。他提出五星视运动的理论，认为就同一行星而言，其运行轨道与地面时而接近，时而远离，以“近天则迟，远天则速”解释五星运行的快慢。张衡将运动缓慢的外行星火星、木星、土星，归类为阳，将运动较快的内行星水星和金星，归类为阴。张衡没有认识到北极高度会随地点而变化，定出北极高度是36度，他未能认识岁差，因冬至点难以观测，只从西汉末年所测的旧数值换算，定出冬至点以黄道度量为入斗宿20度，较当时实际情况偏东超过3度。他定出冬至黄道最远时去极115度，夏至黄道去极67度，因受仪器所限，数据稍欠精确。

　　张衡撰有《灵宪》，叙述宇宙生成论，其观点接近西汉《淮南子·天文训》。他提出宇宙形成的三个阶段，首先是“溟滓”，是气的原始状态，是“无”的阶段，为道的根本；第二是“庞鸿”，是元气开始发动、连结在一起、混沌不分的状态；第三是“太元”，元气分化，有刚柔清浊之分，天地各自形成，阴阳四时变化而生万物。他认为天圆地平，天是一个中空的球体，地是半球体，上平下圆，处于天体下半部。八极约长二亿三万二千三百里，南北少一千里，东西多一千里，天地距离和地的厚度，都等于八极的一半。他指出宇宙是无穷无极的，肯定时间与空间的无限性，提出以“气”为基本的自然观，人是元气的聚合，如水之凝结为冰，人死是元气消散，如冰块融化为水，复归于元气，与自然成为一体。

　　地学

　　132年，张衡发明和制造了世界第一部验震器“候风地动仪”，其形状像圆形酒瓮，断面直径八尺，其内中央置有一根很重的柱子，称“都柱”，可以向八个方向倾侧或倾摆；酒瓮外部的八个方向各有一个龙头，龙头下各有一只蟾蜍，张口对着龙头，八条龙各口含铜丸一颗，当都柱向某一方倾侧时，该方向的龙口张开，铜丸落下，掉入蟾蜍口中。地震发生时，只有震源方向上的龙头张口，据此可知地震的方向。134年陇西地震，雒阳并无震感，但一个龙口掉出铜丸，其后传来陇西地震的消息，证实其功效。而候风地动仪所谓的“候风”，是指测定风的变化，地震被认为是阴阳两气相搏而形成，气的变化会产生风，哪个地方有地震，哪个方向就有气的变化，就有风来可以测到。候风地动仪流传到隋代，北朝信都芳、隋代临孝恭都有研究，到唐代失传。

　　地动仪利用物体的惯性来测震，学界对其构造有两种主流看法。其一认为，都柱是个挂起的悬摆，又重又粗，都柱下有一小铜球，组成触发机制，在地震波水平运动中，都柱移位，小铜球脱落，撞击机关，又或都柱带动八条向八个方位伸出去的臂，连接扛杆，当都柱向某一方向摆动时，龙口就会张开。另一种观点是，都柱是一种倒立的震摆，附有重锤，安装在底座上，周围有八组机械装置，一旦地震，重锤倾侧，都柱失去平衡，触道机械装置，使相应的龙口张开。日本学者曾以直立震摆式的地动仪模型做实验，证明地震初震很强的话，铜丸会因初到的纵波而落下，确定地震的方向；但其他学者却指出，直立震摆的倾倒方向有随机性，对震动反应迟钝，没有验震作用，直立震摆底部所用的弹簧，也不可能是汉代技术水平的产物，而悬摆式的地动仪模型，则通过中国地震学者用振动台模拟地震状态的试验，得到中国学术界的认可。张衡地动仪比直至19世纪前期西方的水银地震仪更先进，亦有个别学者质疑《后汉书》中有关地动仪的记载，指出从现代地震学的观点看，若单独一个仪器，仅在一个地点进行测量，难以测定震源。近年来，又有学者认定都柱是精密的、小“着地面”的立柱。另有学者提出复合物理摆加机械杠杆放大的地动仪复原技术方案。

　　116年，张衡绘制和呈献地图“地形图”，流传到唐代。李约瑟推测张衡曾运用计里画方的网格绘图，但此说受其他学者质疑。

　　文学

　　张衡是辞赋名家，将汉赋推向高峰，由歌功颂德的辞赋发展为抒情小赋。《西京赋》假借凭虚公子之口，描写长安地理形势、汉高祖的定都、西都的豪华、宫殿的宏伟、城廓的宽大、市场的繁荣、商贾的欺诈、游侠的作风、园林中的游猎，《东京赋》则假借安处先生之口追溯历史，从周、秦、两汉各代帝王，赞颂汉高祖、汉文帝、汉武帝等，描写雒阳形胜和汉室仪轨；二赋也描述宗教活动和民间风俗，如持守色戒的西域僧人、杂技歌舞等“百戏”表演、驱邪的大傩仪式，有其史料价值，可补正史的不足；《西京赋》即为南北朝《三辅黄图》和北宋宋敏求《长安志》多次引用，以说明长安面貌。《二京赋》引用不少五经句子，文句为何晏《景福殿赋》、左思《蜀都赋》等后世辞赋袭用。《南都赋》则盛赞当时被朝廷忽略的南阳城，但形式较呆板笨拙，语言则较艰深晦涩。有学者认为《二京赋》并不以“讽谏”为主题，是辞赋创作由“讽谏”转“颂美”转变的标志。

　　张衡《思玄赋》是抒情表志的作品，发表自己的理想，模仿楚辞《远游》和班固的《幽通赋》，重复屈原在《远游》中的寻求，先去东、南、北三方，登上蓬莱，在瀛州采芝，又去拜会西王母，上了仙宫“琼宫”，尽享声色之娱，然后回到故乡。张衡深受楚辞影响，常引用楚地传统的神话，《思玄赋》引用最多的就是楚辞。《归田赋》开拓辞赋中田园归隐的主题，表达其退隐之心，反对宦官当权，政治腐败而自己无力拯救，有不愿同流合污之意，文中赞美民间的田园生活，山水景色使人心旷神怡，是汉赋中罕见的短篇，启导陶渊明《归去来辞》等后世抒发归隐之情的作品，所写自然风景欢乐和谐，也启导王羲之《兰亭集序》等后世文章，文中道家思想鲜明，可说是后世玄言诗的先驱。

　　有后人批评张衡的辞赋缺乏独创性，主要模仿前人著作，如《二京赋》模仿班固《两都赋》，《南都赋》模仿扬雄《蜀都赋》，《应间》模仿东方朔《答客难》，《七辩》则模仿枚乘《七发》。但张衡的辞赋在句式、结构布局上的创变，以及在题材、小品化、语言风格、结构立意上的新探索,一改传统赋风,深深影响着汉末魏晋的辞赋创作；其《七辩》与傅毅《七激》改传统“问疾”主旨为“招隐”,在主题、风格和形式上都对后世产生了巨大影响。

　　诗歌方面，张衡创作七言古诗《四愁诗》，脱离了楚歌的句式，接近纯粹的七言诗，屈原以“香草美人”隐喻政治关系的表现手法,经由张衡的运用与发挥,形成一种重要的诗歌表达模式。张衡《同声歌》则是新娘向新郎的倾诉，描写新婚的优美，诗中还提到房中术著作《素女经》的内容。

　　思想

　　在政治上，张衡坚持批判现实，对宫廷政治的污浊奸诈深感忧愤，反对王侯贵族的奢侈生活。他受道家思想影响，主张无为，有人生无常、遁隐厌世的思想，企图超越世俗生活，其宇宙论也体现道家观念，晩期作品《思玄赋》道家倾向更强。张衡继承了西汉儒家董仲舒的灾异、天人感应之说，认为星象变异和地震等灾异，是上天对世人和朝廷的谴告，这促使他制造更精密的仪器去认识宇宙和侦测地震，以察知天意；但他反对谶纬预言，曾上《请禁绝图谶疏》，指出图谶弄虚作假，为迎合当权者而伪造。他推崇西汉扬雄的《太玄》，认为“玄”是宇宙的根本原理，《太玄》一书深奥而难以理解。他相信天上有许多神、星神、四方神、天皇等等，不但天上有神，山林原野都有神灵，天体的组织，则与地上朝廷政府的组织相对应，月亮上有蟾蜍，由嫦娥所变，星星会影响人的命运。张衡熟悉“风角”之术，认为可透过观风而知祸福，相信占卜，宇宙间有某种神秘力量，绝非所有事物都可用理性解释。

　　数学

　　130年前后，张衡完成推算圆周率。据三国时刘徽《九章算术注》，张衡认为立方体及其内接球体积之比，是8:5，由立圆术公式推求圆周率，得出圆周率是10的平方根。南北朝祖暅《浑天论》则提到张衡提出的另一个数字：736/232=3.1724。另有学者认为今本文献有衍文，张衡的数字其实是较准确的730/232=3.1466,此说未被广泛接受。张衡的圆周率数字颇为粗疏，受刘徽严词批评，西汉末年刘歆指出圆周率为3.1547，已比张衡更准确；但张衡的计算并非倚靠实测，是基于理念，仍有开创性的贡献。张衡也曾研究球体体积，但没有重大进展。

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