温度计和湿度计

温度计和湿度计都是很重要的物理学仪器，在科学研究和日常生活中发挥着巨大的作用。

我国在秦汉时期曾经有过通过观察物态变化来粗略感知气温的方法，那就是《吕氏春秋》所说的“见瓶水之冰，而知天下之寒”。但这里的“瓶水之冰”充其量只能是一种原始的验温器，因为它只能在有限的范围内粗略显示外界温度的变化，没有任何标度，当然不能算做温度计。

定量温度计的早期形式在我国出现的时间是在 17 世纪六七十年代，是由耶稣会传教士、比利时人南怀仁（FerdinandVerbiest，1623—1688 年）在其著作《灵台仪器图》、《验气图说》中首先介绍的。前者完成于 1664 年，

后者则发表于 1671 年。两书后来被纳入由南怀仁纂著的《新制灵台仪象志》中，前者成为它的附图，后者则成为其中的一部分，即其第四卷的“验气说”

（参见王冰，“南怀仁介绍的温度计和湿度计试析”，《自然科学史研究》， 1986 年第 1 期）。

南怀仁在《新制灵台仪象志》的“验气说”中描述了温度计的制作方法：

“所谓作法者，用琉璃器，如甲乙丙丁；置木板架，如一百八图（按：原书编号）。上球甲与下管乙丙丁相通，大小长短，有一定之则。木架随管长短，分三层，以象天地间元气之三域。下管之小半，以地水平为准。其上大半，两边各分十度。其所划之度分，俱不均分，必须与天气寒热加减之势相应。故其度分离地平线上下远近若干，则其大小应加减亦若干。⋯⋯盖冷热之验，有所必然者，故候气之具，自与之相应，而以冷热之度，大小不平分相对之。”

根据这段描写及后文有关内容可知，南怀仁制作的温度计是以玻璃制成 U 形

管，管的一端与铜球相连，另一端开口，管及球内一部分注有水。他以一水平线为基准，将管子分为上下两部分，上部分长，下部分短。管子两侧附有不等分分度，用以作为测量温度的标尺（如图 1 所示）。

之所以要将标度作不等分划分，这与当时传教士对于空间气温分布变化的认识有关。南怀仁说：“盖天之于地，有上中下三域。上域近火，近火常热；下域近水土，水土常为太阳所射，故气暖也；中域上远于天，下远于地，故寒也。”这就是当时西方流行的所谓“三际说”。南怀仁认为空气中温度的变化，就是由于这三际之间相互作用引起的，而温度计作为测温仪器，其标度应该与空中三际分布相对应，将其反映出来。他说：“盖冷热之验，有所必然者，故候气之具，自与之相应，而以冷热之度，大小不平分相对之。” 即是说，将当时人们所想象的三际分布对应缩小至温度计上，就构成了这样的不等分分度。这种不等分分度当然不合实际，但无论如何，它毕竟提供了

一种分度方法。

关于这种温度计的工作原理，南怀仁解释说：

“夫水之升降，为热冷之效固矣，然其故何也？盖如上球甲，一触外来热气，则内所含之气稀微舒放，奋力充塞，则球隘既无所容，又无隙漏可出，势必逼左管之水，从地平而下至丁，右管之水，从地平而上至戊矣。此热之理所必然也。若冷之理则反是。盖冷气于凡所透之物，收敛凝固，如本球甲，一触外来之冷气，则内所含之气必收敛，左管之水，欲实其虚，故不得不强之而上升矣。”

这段话以空气的热胀冷缩效应为依据，基本上说出了这种温度计的工作原

理。但仅此还不够，因为该温度计一端是开口的，与大气相通。南怀仁专门解释过这样做的理由，他说：“假使塞管之口而不使通外气，则甲丁内气为外冷所逼，势必收敛凝固，虽甲丁之器为铜铁所成，必自破裂而受外气以补盈其空阙矣。又自外来之气甚热而内气必欲舒放，无隙可出，则甲丁既无所容，亦必自破裂而奋出矣。”可见，南怀仁考虑过是否将管口加以封闭，但由于受古希腊所谓“自然界厌恶真空”说法的影响，他担心封闭后会因温度变化而导致铜球破裂，因而采取了让管子开口与外界相通的做法。他没有科学的大气压概念，这样做倒也在情理之中。但是，这种形式的温度计难免要受到外界大气压变化的影响。即是说，管内水柱的升降，不能唯一地反映出温度的高低。再者，南怀仁温度计的温标是任意的，也没有固定点，因此它不能给出准确的温度值，只能观察到温度的变化，属于早期比较原始的空气温度计。

在南怀仁之后，我国民间自制温度计的也不乏其人。据载清初的黄履庄就曾发明过一种“验冷热器”，可以测量气温和体温。清代中叶杭州人黄超、黄履父女也曾自制过“寒暑表”。但由于原始记载过于简略，我们对于民间的这些发明，还无从加以评说。

我国对空气湿度的变化也比较注意，早在《淮南子·说山训》中，古人已经提出：“悬羽与炭，而知燥湿之气。”同书的《泰族训》说：“夫湿之至也，莫见其形而炭已重矣。”《天文训》说：“燥故炭轻，湿故炭重。” 可见当时已经知道某些物质的重量能随大气干湿的变化而变化。古人利用这一效应，在天平两端悬挂重量相等而吸湿性能不同的物体（例如羽毛与炭），这就构成了一架简单的天平式验湿器。在使用时，预先使天平平衡，一旦大气湿度变化，两个物体吸入（或蒸发）的水分多少互不相同，因而重量不等，导致天平失衡而发生偏转，从而将空气湿度变化显示出来。

这种天平式验湿器并非仅是古人的设想，它确实被应用过。据《后汉书·律历志》记载，每当冬夏至前后，皇帝都要“御前殿，合八能之士，陈八音、听乐均、度晷景、候钟律、权土灰”，以之测定冬夏至是否到来。这里“权土灰”就是用天平式验湿器进行的测试。

中国古代这种天平式验湿器上没有标度，测量结果也从未想到过要定量化，因此还不能叫做湿度计。湿度计也是由南怀仁介绍进来的。同样是在《新制灵台仪象志》的“验气说”一节中，南怀仁介绍了湿度计的制作及使用方法：

“欲察天气燥湿之变，而万物中惟鸟兽之筋皮显而易见，故借其筋弦以为测器，见一百九图（按：原书编号）。法曰：用新造鹿筋弦，长约二尺，厚一分，以相称之斤两坠之，以通气之明架空中横收之。上截架内紧夹之，下截

以长表穿之，表之下安地平盘。令表中心即筋弦垂线正对地平中心。本表以龙鱼之形为饰。验法曰：天气燥，则龙表左转；气湿，则龙表右转。气之燥湿加减若干，则表左右转亦加减若干，其加减之度数，则于地平盘上之左右边明划之，而其器备矣。其地平盘上面界分左右，各划十度而阔狭不等，为燥湿之数。左为燥气之界，右为湿气之界。其度各有阔狭者，盖天气收敛其筋弦有松紧之分，故其度有大小以应之。”

湿度计的形制有各种各样，中国古代采用的是天平式吸湿性验湿计，南怀仁

湿度计就原理而言也是吸湿性的，但形制上则属于悬弦式。他用鹿筋作为弦线，将其上端固定，下端悬挂适当的重物，弦线上固定一指针，指针雕刻成鱼形。这种弦线吸湿以后会发生扭转，吸湿程度不同，扭转角度也不同，转过角度的大小通过指针在刻度盘上显示出来，从而起到测量湿度的作用（如图 2 所示）。

悬弦式湿度计结构简单，使用方便，因此比较流行。但它也有其待改进之处。例如南怀仁对湿度计底盘刻度的不等分划分，就不能正确反映空气湿度的变化情况。但这毕竟是中国最早出现的有定量刻度的湿度计。另外，这类湿度计西方书籍中也有记述，但这些书籍在时间上比起南怀仁的介绍还要晚一些，

可见此类湿度计传入我国的时间是相当早的。

在南怀仁之后，我国学者也尝试着制作测量大气湿度的仪器。据张潮《虞初新志》卷六所收黄履庄传记称，黄履庄在 1683 年就曾自制成功一种所谓“验燥湿器”：“内有一针，能左右旋，燥则左旋，湿则右旋，毫发不爽，并可预证阴晴。”但其结构与原理没有被记录下来，以致于我们对这种“验燥湿器”的具体形制，至今还一无所知。