二、體積、浮力、水中所受到的重量之間的說明
古希臘世界zui偉大的科學家阿基米德大約出生于公元前287年,他的國家是位于南意大利西西里島的敘拉古。他的父親是一位天文學家,與敘拉古國王亥尼洛二世有親戚關系。
阿基米德在11歲時,就到*的文化中心亞歷山大城去學習,進入了歐幾里德創辦的數學學校,在那里他學習了數學、天文學、物理學等有關方面的知識。
阿基米德在亞歷山大城學習一段時間后,頓生思鄉之情,便回到了自己的祖國——西西里島的敘拉古。敘拉古城國王見他在國外留學多年,也不問其學識深淺,一見面就給他出了個難題。原來一年一度的盛大祭神節就要來臨了,亥尼洛國王交給金匠一塊純金,命令他制造出一頂精巧、華麗的王冠。王冠制成之后,國王拿在手里掂了掂,感覺有點輕。他叫來金匠問是否摻了假。金匠以腦袋擔保,并當面用秤來稱,王冠與原來金塊的重量一兩不差。但是,如果摻上別的東西也是可湊足重量的。國王既不能肯定有假,又不相信金匠的誓言,于是把阿基米德找來,要他解此難題。
一連幾天,阿基米德閉門謝客,冥思苦想,由于實心的金塊與鏤空的王冠外形不一樣,不把王冠砸碎鑄成金塊,便無法求算其體積,也就無法驗證是否摻了假,他絞盡腦汁也沒有想出一個好辦法。
這阿基米德有一個怪毛病,家里桌上有了灰塵,從不讓擦掉,他要在桌上畫個半天,因為當時還沒有紙筆。更有甚者,他還常在自己身上涂畫。當時人們用一種特制的泥團當肥皂。這天,他準備洗澡,可是剛脫了上衣,就抓起一團泥皂在肚子上、胸脯上涂畫起來,畫了三角又畫圓,邊畫邊思考那頂惱人的王冠。這時他的妻子走進來,一看就知道他又犯毛病了,二話沒說,便一把將他推入浴池。他一面掙扎,一面喊道:“不要弄濕了我的圖形!”但是哪由分說,夫人逼阿基米德洗澡,也是常事了。他話音還沒落,已“撲通”一聲跌入浴池中,夫人掩門而去。誰知這一跌卻使他的思路從那些圖形的死胡同里解脫出來,他注視著池沿,原來池水很滿,他身子往里一泡,那水就順著池沿往外溢,地上的鞋子也淹在水里,他急忙探身去取。而他一起身水又立即縮回池里,這一下他連鞋也不取了,又泡到水里,就這樣一出一人,水也一漲一落。夫人剛走出門外,正要去干別的事,忽聽那水池里啪啦啦地響,水唰啦啦地在地上亂流。她停步返身,正要喊:“連洗澡也不會了??!”忽然阿基米德光著身子,濕淋淋地沖出門來把她碰了一個趔趄,她忙伸手去抓,滑溜溜地沒有抓住。這時,阿基米德已沖到街上,高喊著“優勒加!優勒加!(意即找到了)”夫人這回可真著急了,嘴里嘟囔著“真是瘋了,”便隨后也追了出去。街上的人不知發生了什么事情,也都跟在后邊追著看。阿基米德頭也不回地向王宮跑去。
原來,阿基米德由澡盆溢水聯想到王冠也可以泡在水里,溢出水的體積就是王冠的體積,而這體積與同等重的金塊的體積應該是相同的,否則王冠里肯定有假。也就是說,同等重量的東西如果泡進水里而溢出的水不一樣,那肯定它們是不同的物質。每一種物質和相同體積的水都有一個固定的重量比,這就是比重。直到現在,物理實驗室里還有一種求比重的儀器,名字就叫“優勒加”,以紀念這一不尋常的發現。
阿基米德跑到王宮后立即找來一盆水,又找來同樣重量的一塊黃金,一塊白銀,分兩次泡進盆里。白銀溢出的水比黃金溢出的幾乎要多一倍(現在我們已確切地知道,白銀的比重是10.5,黃金的比重是19.3)。把王冠和金塊分別泡進水盆里,證實王冠里確實是摻了白銀。通過這件事,國王對阿基米德的學問佩服。
煩人的王冠之謎總算解決了,阿基米德那愁鎖的眉頭剛剛舒展了一點,可是心里又結上了另一個疙瘩,他的思維肯停息。原來,希臘是個沿海國家,自古航海事業發達。阿基米德自從在澡盆里一泡,發現物體排出的水等于其體積后,那眼睛就整天盯住海里各種來往的貨船,有時在海灘上一站就是一天。那如癡如醉的樣子常引得運貨的商人和水手們在他的背后說三道四。這天他和好友柯倫又到海邊散步,還沒有走多遠就停在那里。柯倫知道他又有什么想法了,正要發問,阿基米德卻先提出一個問題:“你看,這些船為什么會浮在海上?”
“這很簡單,因為它們是木頭做的。”
“你是說,只有比水輕的東西才可以浮在水上嗎?”
“當然只能如此。”
可是你看那些人從船上背下來的箱子,那些金銀玉器,那些刀槍兵器,哪個不比水重,為什么它們裝在船上就不會沉到水里?”
柯倫一時答不上來。阿基米德又說:“我要是把一艘船拆成一塊塊的木板,再把木板和那些貨物捆在一起,拋到海里,你說會不會沉入海底?”
柯倫驚得目瞪口呆。
“老朋友,你真的要拆一艘貨輪作試驗嗎?”他知道阿基米德搞起實驗來是什么都想得出、干得出的。
阿基米德淡淡一笑說:“不會,不會。”他從柯倫吃驚的眼神里知道自己在別人眼里好像是瘋子。“我想,我們總會找到另外的實驗辦法的。”
從此后,海灘上就再也看不見這一對好友的身影了。原來,他們呆在家里,圍著陶盆,要尋找“浮力”。阿基米德把一塊木頭放在滿滿一盆水里,陶盆排出的水量正好等于木頭的重量,他記了下來;又往木頭上放了幾塊石子,再排出的水又正好等于石子加木頭的重量,他也記了下來;他把石頭放到水里,用秤在水里稱石頭,比在空氣中稱輕了許多;這個輕重之差又正好等于石頭排出的水的重量……。阿基米德將身邊能浸入水的物體都這樣一一試驗,終于拿起一根鵝毛筆在一張小羊皮上鄭重地寫下了這樣一句話:
“物體在液體中所受到的浮力,等于它所排出同體積的液體重量。”
接著他將那些實驗數據整理好,開始書寫一本人類還從沒有過的科學新書《浮體論》。這本書當時沒有印刷出版,書的手稿在阿基米德死后2000年才在耶路撒冷圖書館被人發現。