光阴之衡：古代漏刻的精密机制与物理跨学科研究

一、引言

在当今科学技术飞速发展的时代，各学科之间的联系日益紧密，许多实际问题的解决需要综合运用多学科知识。传统的学科教学往往注重单一学科知识的传授，忽视了学科之间的内在联系，导致学生在面对复杂的现实问题时，缺乏综合运用知识的能力和创新思维。

二、跨学科综合实践活动的背景

《义务教育课程方案（2022 年版）》中在课程内容上增加了“跨学科实践”一级主题，包括物理学与日常生活、工程实践和社会发展 3 个二级主题 [1]。因此，开展跨学科教学，打破学科界限，整合学科资源，成为培养适应时代需求的创新型人才的重要途径。在新时代课改背景下，如何高质量开展跨学科主题学习，是摆在我们教育工作者面前的机遇与挑战。

在新课标中，在运动和相互作用一级主题中，将机械运动与力作为二级主题，内容要求了解古代测量时间的工具，体会古人解决问题的智慧，引导学生了解我国古代和现代的相关科技成就，体会中华民族的智慧，培养学生的科学态度和实现中华民族伟大复兴的责任感与使命感。

下面，笔者以“古代漏刻的精密机制”为例，以新课标理念为指导，将文物作为跨学科的学习资源与物理学科相融合，让学生更好地掌握物理知识的本质和应用，了解我国古代的技术应用案例，了解古代测量时间的工具，体会古人解决问题的智慧，体会我国古代科技对人类文明发展的促进作用。

三、跨学科综合实践活动的过程

3.1 利用互联网形式，构建漏刻模型

笔者利用文学作品讲解古代漏刻，很多学生对漏刻这种古代技术并不能很好的了解，然而，利用“互联网 + 文物”图文并茂的形式，学生很快就对漏刻有了一定的了解，学生对漏刻有了模型构建，在接下来的学习中已经体现出了极大的热情。所以，笔者采用互联网的模式向学生提供了以下的文学资料。

在机械钟表传入中国之前，漏刻是中国使用最普遍的一种计时器。《隋书天文志》中记载：“昔黄帝创观漏水，制器取则，以分昼夜。其后因以命官，周礼竿壶氏则其职也。”竿壶氏，即为掌漏刻的官员。唐代诗人李贺“似将海水添宫漏，共滴长门一夜长”，宋代苏轼“缺月挂疏桐，漏断入初静”，其中“漏”就是指漏刻，可见唐宋时期人们使用漏刻计时已经很普遍了。

漏刻主要由漏壶和刻箭组成。漏壶通常是一个带有小孔的容器，水从中滴出。刻箭则是一根标有刻度的长杆，相当于现代钟表上显示时刻的钟面，放置在漏壶内，随着水的注入而上升。漏刻的计时原理基于水的流动。当水从漏壶的小孔中缓慢滴下时，水位逐渐下降，浮舟拖着的刻箭便随之下沉。通过刻箭上的刻度，人们就能读取时间。

3.2 用物理知识寻找古代漏刻计时的不准时性

《义务教育课程方案（2022 年版）》中，运动和相互作用一级主题中，将机械运动与力作为二级主题，内容要求理解压强，了解古代测量时间的工具，体会古人解决问题的智慧。学生在学习了压强知识后，将漏刻作为课程的一个补充，既能够让学生理解古代技术的运用，又能够很好地掌握物理知识的本质。

漏刻是中国历史上重要的时间测试工具。以图所示——汉代千章铜漏为例，壶高 48cm ，壶身为圆柱体，壶内深约 24cm 。

（1）当壶中水柱的高度从 18cm 下降到 8cm 时，壶底所受压强变化了多少？（g 取 10N/kg）（2）随着水位减小，漏刻的滴水速度会怎样变化？会影响计时的准确性吗？

（3）除了受水位的影响外，还有什么因素影响计时的不准确性？

解：（1）当壶中的水位高度 h=18cm 时，壶底所受的压 当壶中的水位高度 _h=8cm 时，壶底所受的压强

Δp=p₁-p₂=1800Pa-800Pa=1000Pa

（2）根据可知，当液体密度不变时，流管处水的深度越小，液体压强也越小，滴水速度也会越慢。由于流管的直径一定，流出的水的体积随水流速度的减小而减小，因此水面下降相同的高度时，水位越低，所用的时间越长，如果漏箭上的时间刻度间隔是均匀的话，将导致时间不准确。

（3）除了以上的因素会影响计时不准确性，温度的变化也会影响水的粘性和表面张力，水中的杂质也会影响水的流动特性，杂质还可能堵塞漏壶的小孔，导致水的流量不稳定，进一步影响计时的准确性。

3.3 展示三级漏壶，体验古人解决问题的智慧

由于单只漏壶的滴水速度受到壶中液面高度的影响，当液面高度越来越低时，滴水速度也会越来越慢，到时计量时间的准确性变低，因此古人设计出了多级漏刻，其精度和可靠性都得到了很大提高。如图所示，多级漏刻是由三级漏壶、二级漏壶、一级漏壶和受水的箭壶组成。

要使水均匀地流入箭壶，一级漏壶流管处所受压强大小要保持不变。根据可知，当液体密度不变时，要想压强保持不变，则液体深度要保持不变，即箭壶上方的一级漏壶水位要保持不变。

漏刻

多级漏刻的每只漏壶都依次向下一只漏壶中滴水。一级漏壶的水流入箭壶的同时，二级漏壶的水源源不断地补充给下一级漏壶，三级漏壶的水也在补充给二级漏壶。要想漏壶内液面稳定，水能均匀地流入箭壶，则每只漏壶单位时间内流出的水体积须相同，而三级漏壶的水位在不断降低，水流速度减小，影响一、二级漏壶水流速度，所以水不能完全均匀地流入箭壶，但计时较之前更准确了[2]。

四、跨学科融合实践反思

利用互联网教学，打破了时间、空间以及教学资源的限制，使教学资源得到了优化，使学生提高了学习兴趣和学习效果。初中生在学习了压强等基本知识后，笔者以培养学生核心素养为中心，紧密结合教学内容，灵活采用与漏刻这一古代计时的应用，利用压强的知识解决了漏刻计时的不准时性这一问题，学生既运用到了物理知识，在不增加学生学习负担的同时，考虑到学科之间的契合度，又向学生讲解了古人如何解决这一不准时性的方法，让学生体验到了历史发展中古人的智慧。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部 . 义务教育物理课程标准 [S]. 北京 : 北京师范大学出版社 ,2022.

[2] 邬启超 . 中国古代计时工具——漏刻的工作原理研究 [J]. 中学物理教学参考 ,2024,53(04):55-57.