物理学成就

在磁学方面,沈括在《笔谈》中指出,指南针是方家以磁石磨铁针, 使铁针磁化而成。他记述了当时指南针的四种装置方式,即水浮法、置指甲上、置碗唇上、悬丝法,并比较了这四种方式的优劣,指出水浮多荡摇, 置指甲或碗唇上易坠落,以悬丝最善,表明他对这四种方式进行过观察和实验。通过观察和实验,他发现磁针有指南的,也有指北的,指南的磁针并不总是指南,而是常微偏东。这是关于指北针和地球磁偏角的最早明确记载。

在光学方面,沈括进行了凹面镜成象的实验。通过实验,他指出凹面镜照物,中间有一称为“碍”的地方,在此之内,照物得正象;在此点之上,照物无所见;在此点之外,照物得倒象,表明他已发现了四面镜的焦点。他还用小孔成象、细腰鼓、船上的橹担等常见事物,来形容凹面镜成象现象,试图解释凹面镜成象原理。这些比拟虽不尽恰当,但反映了他勇于探索自然现象的奥秘的精神。对凸面镜和平面镜,他也作过细致的观察和研究,科学地解释了古人铸镜,镜大则平,镜小则凸的道理。他指出, 这是因为镜面凸,所照人面缩小,故镜面虽小而能全纳入面。如镜面凹, 则所照人面放大,镜小了就不能全观人面。为了说明月亮的盈亏现象,他特意作了模拟实验。他用一个弹丸,在其表面上一半涂白粉,这样“侧视之则粉处如钩,对视之则正圆”,从而形象地演示了月亮的盈亏现象,具有很强的说服力。

在声学方面,沈括进行了声音共振实验。他用纸剪一个人,放在琴瑟的基音弦线上,拔动相应的泛音弦,则小人就会跳动; 而拔 动其他弦, 则纸人不动。西方类似的实验,直至 17 世纪方出现。

此外,沈括对海市蜃楼、虹、雷电、乐律等,也都进行研究,并提出了自己的见解。