皇朝经世文三编

　　测学何所凭借考　　　　　
杨毓辉

今夫一事也始而惊为神奇既而或见为庸腐非事之始终异致也盖有超乎其上者则其事遂以数见不鲜矣一物也始而夸为精妙继而或视为平常非物之先后不同也盖有轶乎其前者则其物遂以相形见绌矣天下事物之消长大抵如斯也即如古设律度量衡本为测算计也测算之理虽奥测算之事虽繁约而计之则有四一曰点点如针芒无阔狭亦无短长假如测日月行度祗视其中心一点此点所到即为躔离真度也一曰线线有弧直二种假如测日月相距度皆自太阳心算至太阴心是为弧线假如测日月离人远近皆自人目中一点算至太阳太阴天是为直线一曰面面之形有方圆无厚薄之分而有狭阔短长之别故谓之幕幕也者所以冒物如量田亩界域只论其土面之大小而不论其浅深是也一曰体体有阔狭有长短有厚薄其形式又有方有圆圆体如柱如球方体如如柜以上四者其所以测算亦精矣故当时之律度量衡胥夸为测算要器谓其可以纤微毕悉可以毫发无遗初不意有驾而上之者也乃未几而声学出矣考西人之言声谓传声俱赖空气无空气则不能传若空气中和之候一秒内有九十六丈可通其声之大小无殊惟大者能及远耳且空气之传动实与浪因风激相同故谓之声浪声浪之行速其谓每秒一千零九十尺者以空气冷至冰度而言也若热至二度半则每秒行速一千零九十一尺热至八度半则每秒行速一千一百零九尺热至十二度则每秒行速一千一百十三尺热至二十六度六则每秒行速一千一百四十尺其测算之精微如此实非寻常之器所能同也此所以声学出而律度量衡之用几微也未几而热学出矣西人之言热即谓天下无无热之物不论物之冷有多少内面有热气即传之于外面此端有热气即射之于彼端而且各物之面俱能回热各物相近亦能吸热其理极奥极精又谓水之化气惟热气为根又谓欲考物容热度之率必先明其功效功效同则热气多少亦恒等用能如法测度纤细靡遗此所以热学出而律度量衡之用又寡也至于光学之出也为时已久而近时则益精昔人皆谓人所见之光自目中而至目外有精于光学者穷究研索始知由目外而至目中其中奥妙难以缕述且光之类亦不一凡物发光而至他物必有回射之光则曰回光亦曰射光光线射至物上或改其原方向有似折形则曰折光透出物回则曰透光传于别物则曰传光至若光线由小孔而透光发顺直线而行以及光发之性情光行之速率皆可测算不爽毫厘此所以光学出而律度量衡之用更鲜也至于电学之出也实自擦磨琥珀始厥后愈考愈精始知电有自然者有造成者其自然者止一种为空中云二片相激而成者其造成者有二种一干一湿干电用干燥之物磨擦而出湿电用湿瓶水注和阴阳用二金制成制成又分正负如将锌与铂各一片入酸水内则其水外二端之电气即有相反之性铂端显正电锌端显负电再将二片联以金类丝则正电在丝上向负电而行负电在丝上向正电而行其理亦甚微奥至若电无论远近瞬息可通不尤神乎其神哉此所以电学出而律度量衡之用又绌也是故犹是律度也犹是量衡也而向也皆惊为神奇者至是皆见为庸腐矣向也皆诱为精妙者至是皆视为平庸矣盖其用几穷矣

且夫西人之于声学热学光学电学皆有实用即西人之于测音测热测光测电非托空谈也其所以知大小多寡者夫岂无所凭借哉夫果何所凭借哉则请详言其法一论测音之法也测音与测光略同盖光有透光音亦有透音也光有回光音亦有回音也其测透音之法如后第一图取炭气盛于极薄之象皮球内悬于架上如乙其旁又悬一表如物则所发之声浪遇气球即行透过而折聚一点与光相同又以漏斗一只置于球之对面如已相去约数尺许以其管对人耳左右远近渐移以试之其声最大之处即为聚声点漏斗若不对聚声点即不闻其声取去气球虽有声而甚小可见甚小之声其聚声点之声亦甚大也以此法[测]他物亦不能爽毫厘其测回音之法如后第二图用椭圆凹回光镜二面其一覆悬于屋顶如寅其一仰置于棹上如卯相距二丈五尺许若挂一表于光点如物则他处不闻其声惟在甲点其声甚清与执在手者同听其声非自上而下实自下而上而其回音之大小不难一而知也以此测他物亦能不爽毫厘若夫测声浪之行速也亦精其法虽多而最灵极者则莫如用炮尝有人用巨炮一具置于三千二百七十尺以外而从三千二百七十尺以内听之则燃放之后即见其光惟历三秒许始能闻其声因测知声之传行每秒约为一千零九十尺以此类推他皆可知如见电光后停几秒而闻雷声即知发雷之处相距几何远也若夫测金类之传声也亦易有西人用测传声器测之知金类之热度不同传声之速率亦异热度加而速率减惟银与铁则不然银铁热二十度速率一万六千八百二十二尺热一百度速率加至一万七千三百八十六尺热二百度速率减至一万五千四百八十三尺盖热度至其定限速率最大或过或不及速率俱小也不特是也至测音叉声音之度数则其法尤精如后第三图将气吹入此器观时表之秒针[指](拈)六十秒急按左柄如乙则器面之针即动待针秒转(秒)一周仍至六十[秒]急按右柄如甲则器面之针即停观针所指若在一千四百四十而板之孔四十六则十六乘一千四百四十得二万三千零四十即一分时音叉动之数以六十约之得三百八十四为一秒时音叉之动数此种测法实属精微他如纮音管音钟[磬](罄)之音以记声器准音器验之亦无差误此西人测音之法所以精而微也一论测热之法也测热之法约有数端先论传热各物性质有传多传寡之殊全类中惟金银铜最易传热铅则次之玉石磁器玻璃木植最难传热炭则次之然果何所测而知之也则有一简法在如后第四图欲测某物之传热大小多寡即用某物制成圆柱以蜡包其上端使之与铜器相切于其所用铜器内盛热水或热油其热气传至圆柱必化开上端之蜡凡难传者其镕化近而少易传者其镕化远而多故不难一测而毕悉也次论射热射热之理各质相同如以洋铁匣盛满热水其射热与铁球之烧红无殊人身亦然冰则亦然较冰之再冷物质亦然不过射之大小射之多寡各有不同耳然又何以测而知之也则亦有妙法在如后第五图即测射热之[器](气) 厥名为测射热较度表法将两球盛满风气中藏红色硫磺强水设加热度于一球风气渐长即抵硫磺强水至别管内如两球热度俱同则两管内硫磺强水高低一例两球热度各异则何管较冷即何管之硫磺强水较高因之可测射热之大小多寡也且射热之能力关于物面之滞滑面愈滑则射热愈寡面愈滞则射热愈多如后第五图以金类立方箱置在球体镜前用一测射热较度球放于镜之针心处箱内盛热水则各面热度俱同测各面热度之效在最滞面上其表度最高比滑面之热度加三倍有奇他面愈滑表度愈低他面愈滞表度愈高也

次论吸热凡物之吸热皆同而所以吸热则不同即以太阳而论凡万物皆为太阳照热其所照之热无异所受之热即有异盖吸热之能力亦关各物之性质故或吸受寡或吸受多不容一概而论也如以测射热较度表测之即知其理设以表之两球同置太阳之下一球为原色一球为漆黑色复热以薄物则其热较度之大小即关于所热之性质用金银为盖则吸热甚少用黑纸为盖则吸热甚多盖金银之性有返照之能故吸热少也知乎此则他可类推矣次论回热回热之能力亦视各物之性质与各物之滞滑其测验之法亦甚多若以测热表测之即可知其大小多寡又一简法略可试验即如以热物放在彗星曲线镜之针心处其热必平行于彗星曲线[镜](径)之方向再以别镜置于相近之地使人能射所受之热其热必聚在彼镜之针心处以火纸[放] 于此纸即能燃固可测而知之也盖回热与射热相反物愈光滑回热愈多物愈阻滞回热愈少如用镜两面一镜有漆一镜无漆其有漆者回热必少其无漆者回热必多也以上测传热射热吸热回热之法可谓精矣然犹不止是也各物之容热也有容热大者有容热小者有容热多者有容热小者又何所凭借而测之哉则以有测热标准也如后第七图用铁皮制成三器重复套下以碎冰盛于外盛两器中第一套镕冰化水可从甲闸流下第二套镕冰化水可从乙闸流下并用精紬铁丝阻其冰块不使塞于孔管之处则外面之热必为第一层冰所隔不能至第二层里面之热即从丁器化下不能至第一层丙层丁层之冰亦必为热镕化其化下之水在甲点乙点可以测知其多寡此器之用甚多不拘何物皆可测试如欲测试铁容热之率将铁球热度加至一百置于里面器中即速盖好则热度加至三十二度时量测镕开之水若干又热度加至二三百层时测量镕开之水若干传出热之多少与冰化水多少之比例恒等可测而知所化之水以愈高愈加长为率准此测知铁镕热之率与热度大小一同改变此仅就铁之镕热而言也若欲测各物容热之率则当升各物热至相等之度从热度点时降至三十二度热点时测其冰化水若干即得容热之率也至于测空气之热其法最易明晓如第八图厥名为寒暑表以玻璃管为之下端有圆球内存水银管连于架其表面则刻度数观水银之升度若干即知热度若干也此则西人测热之法所以灵而捷也一论测光之学也光之浓淡可测光之速率亦可测测浓淡之法平方反比例尽之也而又有一简法亦可试验其法立竿于白屏前以一烛火置其前即见一竿影以二烛火至其前即见二竿影设两烛火离屏之远近同其成影之暗亦同则其光力之浓淡亦同可知也若一影暗一影更暗则影暗之烛光其光较淡更暗之烛光其光较浓更可知也盖凡物光之力愈浓所成之影愈暗也用此法以测他物亦可不差测速率之法昔丹国人名六麻者在法巴黎城内测望木星小月之食木星离日四万七千二百六十九万三千英里因而又得一据凡光行过空处之速率每秒约十九万二千五百英里然其法颇繁

又有傅珂者测得光行速率为每秒十八万五千一百七十七英里光学家多宗其说其法如第九图仔为暗室之墙辰为方孔以回光镜置于暗[室]之外以白金条于方孔之内令光条透过方孔而至室中则白金条分光条为二又用无光色差之透光镜如吜光条透过此镜之后射至寅平回光镜回光镜旋转之速率甚大且其回射之形像成于空中在空中之行速率为回光镜速率之加倍此形像射至口寅凹回光镜其镜面之中心合于寅镜旋转之角线从口寅镜回射之光复至寅镜再从此镜回射而过吜镜成一白金丝之形像若寅镜旋转不速所成之形像即合于白金丝其咳为平行面之玻璃片在白金丝与透光镜之间所以从寅镜回射之形至玻璃片而回射则透过己目镜倘寅镜不动而或旋转甚迟口寅寅两镜回射之光线射于寅镜上其形像与原回射之形像相合后从寅镜回射至咳玻璃片之甲点从此处有几分回射至目镜之丁点成一形像甲丁等于甲辰其形像即用己目镜观之此即测光行速率所凭借之器也又可用此器测光行于流质内之差数其法用一长管如呷口乙长三码计每码二尺共六尺长也置于口寅寅两回光镜之间光线二次透过管内之流质从寅回射透过吜镜至丙自丙回射而成形像于辛相距之差数流质大于空气质故空气内光行之速率[大于流质内](八流于质良)光行之速率因而测知空气内每秒十九万二千英里水内十四万四千英里刚石内七万七千英里玻璃内十二万八千英里也以上二者皆测光之总法也若分而言之则又有回光昔有精于格致者测知各物回光异若射光线为回光面之垂线以光线一千分而论则水回射之光线十八玻璃回射之光线二十有五水银回射之光线六百六十有六若不为回光面之垂线则水与玻璃回光较多以光线一千分而论假如射角四十度则水面回光线二十有二射角六十度则水面回光线三百三十有三射角八十度半九则水面回光线七百二十有一此时水银之回光线亦与水同其测验之法甚简如用水一盆以烛火照之而仔细看其回射之光迨其烛低而目亦低将近水面烛光更明即可测知其理也又一法可用回光镜测之亦极明晰惟不及前法之简便耳又有透光西人测得凡物有透光有不透光者有湿时透光干时不透光即如用水一盆以纸浸其中纸即透光以白布浸其中则白布之色稍减盖湿布透光多于干布回光少于干布也又有数种石类干时亦不透光浸于水中其光即透盖其物虽异而其理则同也测透光之法则全凭借透光镜其镜分为二种一令平行光线透过镜后而渐离一令平行光线透过镜后而渐聚其二种镜每种有三式兹将其名列表如左

　　计渐离透光三种镜
一为平凹镜　　　　　二为双凹镜　　　　　　三为凹凸镜
　　计渐聚透光三种镜
一为平凸镜　　　　　二为双凸镜　　　　　　三为凸凹镜

惟渐离透光凹凸镜之凹面半径大于凸面半径渐聚透光凹凸镜之凸面半径大于凹面半径稍有不同耳凭此六镜以测透光可以纤细无余矣又有折光西人测得光线凡自空气射入水中则折光线即近于垂线自水中射入空气则折光线即远于垂线其测试之法如第十图甲为水中发光点乙为射光线丙为垂线其射光线出水面而入空气即更远于垂线若射光线之度数加多则出光线之度数亦加多如有出光线与水面平行则射光线亦不出水面而射入水中矣观乎此即可知凡物折光之理既知折光之理则折光理即光差亦可知如玻璃瓶内用醋则折光指为一三六用橄榄油则折光指为一四七用柏角油则折光指为一五三八用以脱里克醇则折光指为一三七二用磷则折光指为二二四用炭硫则折光指为一六七八皆可试用而知之也又有光力西人之测量光力或大或小或多或寡全凭借量光力器其器甚多而以活枢量光力器为尤善如第十一图其器为克罗克司所设用极轻细之金丝或银[铜](银) 等丝作十字形如乙中加一硬铜钉如甲此钉靠于小杯凹内如丙用能任意转动其十字丝之端用圆通草片作球形如丁两黑两白装于白玻璃泡内抽尽空气而密封之此器遇光即动其转动之迟速视光力之大小光力大若干则转动即速若干光力小几度则转动即迟几度前曾有人试此种器执烛火距器二十寸则二百八十二秒内转一周距器十寸则四十五秒内转一周距器五寸则十一秒内转一周如用烛两只则所转之数视前加倍用烛三只则所转之数视前加三倍又用烛火置于小器中距器约五寸许令光行过各色玻璃则淡红色玻璃三十秒转一周紫色玻璃二十八秒转一周绿色玻璃四十秒转一周黄色玻璃二十一秒转一周蓝色玻璃三十八秒转一周橘色玻璃二十六秒转一周其转动之迟速不同实其光力之大小各异也故某种玻璃光力大某色玻璃光力小俱可一测而知也此则西人测光之法所以神而奇也一论测电之法也测电之法亦多盖电有浓有淡有少有多有疾有徐有大有小其为类不一故其测法亦不一也然则测浓淡果何所凭借乎曰有妙法在昔西人测得含电之物其外廓愈大则电气愈淡其外廓愈小则电气愈浓其法如第十二图用铁轮轴裹以薄铁片数重使之加厚而以电表高悬于轴上电气放满于轮中则电表之二团离不甚远可见物加大而电反淡矣及将铁片撤去则二团立即远扬可见物加小而电反浓矣又一法可测来顿瓶之电气浓淡其所凭借者如第十三图甲为象牙半周丁为所连之木杆乙为干稻草针针端有树心球而挂于半周心之针处其木杆之下又有针如丙可插于瓶球之上若瓶之电气愈淡则稻草成角愈小瓶之电气愈浓则稻草角成愈大故观其角度即可知其电气之浓淡也又有一法可测空气之电气浓淡如弗打测器及各种测器均可测之后有英人测得自西七月之十一月即华六月至十月也空中电气浓始增大每日之二十四小时内有两次极浓两次极淡可见无论何项电气其浓淡皆可测知也然则测多少又何所凭借乎曰亦有妙法在盖西人测电之多少其法不一而其最简便者莫如电表电表亦有三种最灵其一如第十四图用大玻璃筩一具筩内悬一铁针针尖有灯草团包以金箔其筩之周围画有度数使此表依有电之物则观其针行之度数即知其电气之多少也其二如第十五图以丝线二条悬灯草团二枚如探电式使依有电之物电寡则二团微离电多则二团远扬其三如第十六图用电架一具上插铁柱旁悬铁针有活机可以转动外加半圈如弓形圈中画以度数针上插以灯草团离开铁柱若干即可按其度数而知电之多少也