第二章學生科學試驗製作與發明啟迪1
1.燃燒實驗的啟迪
人類對各種自然現象的認識，都有一部曲折發展的曆史。拿我們日常生活中經常用到的火來說，人們對它的認識，從北京猿人使用野火到今天，已經有5000萬年以上的曆史。在認識火和燃燒現象的漫長征途上，充滿了許許多多的風浪和波折。回顧這個曆史，我們可以看到，人類對事物的認識是怎樣在錯綜複雜的矛盾和鬥爭中辯證地發展的。
千古之謎
火是一種常見的自然現象。我們都見過枯槁的野草和樹枝著火的情景，可是在自然界裏會著火的又豈止草木。火山爆發時，熔岩滾滾；鼓風爐裏，烈焰翻騰，這些都是堅硬無比的石頭在燃燒。就是鋼筋鐵骨，也不免會被猛火燒成灰渣。就連太空中炎炎的烈日，又何嚐不是一個燃燒著的大火球。
關於火，古代流傳著許多神話和傳說。在古希臘的神話中，據說人間的火是天神普羅米修斯冒著觸犯天規的危險從天上偷到人間來的。在我國古代，人們則傳說，火是一個叫燧人氏的人發明的。古代勞動人民通過對幻想中的馴火英雄的崇敬來表達他們要求征服自然的美好願望。同時，這些神話和傳說也十分自然地留下了我們先輩對自然界缺乏認識的痕跡。他們雖然已經通過用火感受到了火的光明和溫暖。但在他們看來，火還是那麼不可理解，是一種神秘莫測的東西。所以，在他們心目中，能馴服火的隻有神仙或聖人。
當然，在古代，由於生產力水平低下，人們的認識還很難正確地反映自然界，火終究不是神，也沒有什麼賜火予人的神仙或聖人。
什麼是火，當火成為人們生活和生產不可缺少的東西的時候，人們就十分自然地把火看成是宇宙萬物的來源。我國古代“五行”說的金木水火土中有火；古代印度“四大”說的地水火風中有火；古希臘“四元”說的水土火氣中也有火；古希臘的赫拉克利特甚至把整個世界都看成是“一團永恒的活火”。
在古代人看來，火是一切事物中最積極、最活躍、最容易變化的東西。它能促成事物的轉化，整個世界就在烈火中永恒不息地變化著。要問火本身是什麼，人們還隻能依托於感覺，在古代哲學家的眼中，火就被看成是幹和熱兩種原始性質的化身。人們從崇尚火到感覺火，從不會用火到學會用火，從隻會用野火，到發現鑽木取火。這都是人類同大自然長期鬥爭的結果。
用火，是人們認識火的真正起點。用了火，就能把石頭煉成金屬，把砂粒和灰堿燒成了玻璃。於是，人們開始認識到，火除了發光、發熱之外，還能使物質發生變化。這樣，火就不僅僅是光和熱的化身，而成了變革物質的強大力量。
火山爆發、雷電轟擊、隕石落地和長期幹旱都可能產生火。人類在實踐中不僅感覺到了黑暗中火帶來的光明，寒冷中火的溫暖，而且還發現了經過火燒過的食物更為可口，在熊熊的大火麵前，動物相望而逃，火還能夠驅趕猛獸，保護人們的生命安全。於是人們從野火中引來了火種，使火為人類服務。這是人類支配自然的偉大開端。
人類掌握了火，可以用火來燒烤野獸的肉和植物的根莖，從而結束了原始人類那茹毛飲血的野蠻而落後的時代。吃熟食不但減少了疾病的發生，縮短了消化過程，同時也為腦髓的發育提供了豐富的營養，使人類大腦的發育一代比一代完善起來。摩擦生火是人類在生產實踐中發明的，在打製石器的過程中，往往發現某些石頭相擊會產生火星。人們在使用木製工具時，發現枯木被猛力相摩擦就會發熱，摩擦出的木屑熱到一定程度也會生成火星，火星由於周圍有較高的溫度，燃燒時間相對較長，若再遇到易燃的幹草之類的纖維，就能燃起火焰。於是人們由此發明了鑽木取火等方法。人們嚐試著用火去燒爛泥、石頭之類的東西時，馬上就在改造自然的鬥爭中取得了一係列的重大成果。製陶術的出現，就是用火燒爛泥的直接結果。後來，人們又從石頭裏燒出了金屬。自然界裏含錫的銅礦石，經過粗糙的燒煉，就能得到自然的青銅。又過了許多年，人們才學會了煉鐵，製造鐵器。
燒陶要善於掌握火候，燒青銅需要更高的溫度，至於煉鐵，對用火技術的要求就更高了。所以，從發明摩擦取火，經過陶器時期，青銅時代，一直到鐵器時代，這裏的每一個進步，都同火有著密切的聯係，都反映著人類利用火、控製火的能力和水平的提高和進步。隨著火的利用不斷擴大，煮鹽、釀酒、燒玻璃等生產技術陸續出現。從此，人類要發展生產，再也離不開火了。火成了人類改造自然的重要武器，成了“人類新的解放手段”。
火既然能使事物千變萬化，那麼使糞土化為黃金又何嚐不可能呢?
公元1世紀，在古希臘的亞曆山大裏亞城就流傳著一種製造“黃金”的工藝，人們用錫、鉛、銅、鐵等金屬熔製成一種黑色熔塊，隨後加些水銀或砒霜使它變白，最後塗上一層硫磺石灰液或媒染劑，使它呈現金黃色的光澤，“黃金”就製成了。
煉金術起源於煉製金屬的實踐。古代隨著冶金技術的發展，人們已經學會用混合各種礦石或在現成的金屬裏添加各種成分的方法來煉製各種金屬。當時，人們隻能根據顏色和光澤來分辨金屬的“貴賤”，看到金黃、銀白就以為黃的是金，白的是銀。人們偶然製得一些光澤和色彩都很像金銀的合金，便以為是真的黃金和白銀。少年朋友們，今天，當你們聽到這些無知的人們的所作所為時，你們一定會覺得很荒唐可笑吧。可是，他們有自己的一套自圓其說的理論，每日津津樂道地陶醉在自己的夢想之中。他們認為，之所以能把黑鐵化為黃金是因為一切金屬在本質上是一樣的，都是陽性、火性、燃燒性的“硫”和陰性、水性、揮發性的“汞”相結合的產物。這裏所說的硫和汞還不是我們今天所指的化學元素，而是某些神秘的本原。金屬的“貴賤”決定於這兩種本原在量上的差異。汞多就“貴”，硫多就“賤”。而火在他們的手裏就更加神秘了，他們認為，火能燒去其中的硫，留下貴重的汞。所以賤金屬愈燒愈精，最後變成寶貴的黃金。
煉金術從我國起源，最後傳入歐洲，先後在我國、阿拉伯國家和歐洲的封建社會裏盛傳了一千七百多年。長期以來，燒金術士脫離勞動人民的實踐，關在與世隔絕的幽暗的丹房裏，沉醉於點石成金、發現“人造黃金”的夢想之中。雖然他們也長期用火，但是方向錯了，指導思想也錯了。他們始終沒有把人類對火的認識，對燃燒現象本質的認識推進一步。在煉金術支配著火的漫長時期內，關於火和燃燒現象的學說，本質上是唯心主義的，他們把火看成是構成萬物的元素和本原，認為物體燃燒則有火分解出來，而留下的是像土或鹽那樣的灰燼。煉金術士的神話根本無法解答與燃燒現象有關的各種問題。
火微粒與火燃素
大規模用火的實踐，把人對火的認識大大地推進了一步。火，在煉金術士的手裏，幾乎沒有結出多少有益的果實。但一旦從煉金術士的丹房裏解放出來，卻產生了巨大的成果。生產的發展，需要通過化學實驗來了解火和燃燒現象的本質。但是，煉金術關於燃燒的神話，嚴重地阻礙著人們對火的認識的發展。要進步，就必須掃除橫在前進道路上的這些障礙和絆腳石。於是，一場近代化學反對經院哲學和煉金術的鬥爭，就不可避免地爆發了。站在這一鬥爭前列的是英國資產階級的早期活動家羅伯特·波義耳。波義耳，這個曾經訪問過羅馬，被意大利文藝複興運動和伽利略反對經院哲學的鬥爭深深激動著的年輕人，在1644年——英國資產階級革命的高潮中，返回祖國，開始從事自然科學的研究。
如果隻看現象，許多物體經過燃燒後確確實實都化為灰燼。特別是植物燃燒，在燃燒後隻留下了不多的一點灰，似乎它們在燃燒時真有大量的火分解出來似的。但是，波義耳卻注意到，金屬在燃燒以後，剩下來的灰渣往往比金屬本身重，金屬的灰渣比金屬本身還要複雜。可見，煉金術關於物質構成和火的觀念是根本錯誤的。他們的理論像孔雀的羽毛，雖然好看，但卻沒有什麼用處。
波義耳收集了大量的材料，並親自做實驗來研究這一問題。1603年，他開始了對火的燃燒現象的定量實驗。他在密閉的容器內煆燒金屬銅、鐵、鉛、錫等，他發現，燃燒後的這些金屬都無例外地增加了重量。這個重量是從哪裏來的呢?是不是某種有重量的東西，穿過容器壁上的微孔，跑進容器，同裏麵的金屬結合起來了?如果是，這種東西又是什麼呢?經過反複思考，波義耳認為，這種東西就是火。火應當是一種實實在在，由具有重量的“火微粒”所構成的物質元素。從這個觀念出發，他認為，植物燃料在燃燒時，物體的極大部分都變成火焰散失到空氣中去，隻留下了同物體本身的重量相比是微不足道的灰。而金屬燃燒時，從燃料中散發出來的火微粒鑽進了金屬，並與它結合而形成了比金屬本身要重的煆灰。所以，他對金屬經煆燒而加重的解釋可以用一個式子表達出來，那就是：金屬+火微粒=煆灰。他把煆灰看成是金屬的化合物，這比起煉金術的說法要前進了一步，而且也似乎有一定的科學性，因為它畢竟是經過一定的實驗而得出的結論，並非背離事實的主觀臆想。但是，波義耳的實驗太片麵了，他在實驗中隻注意到密閉容器裏的金屬重量增加的一麵，而沒有同時考察和金屬密切地接觸著的空氣是否也發生了變化的一麵。
火微粒為什麼隻會鑽進結構緊密的金屬，使它增加重量，而不能鑽進木頭、石頭等這些結構比較鬆散的東西，使它們的重量也有所增加呢?這些複雜而又矛盾的現象又怎能用機械的“火微粒”來解釋呢?波義耳的火微粒顯然不能被人們所接受，它很快就被新的理論所取代，這也是曆史的必然。
為了統一對燃燒現象的認識，18世紀初，普魯士王的禦醫施塔爾，在概括已有觀念和綜合各種事實的基礎上，把煉金術的燃燒性“硫”和波義耳的“火微粒”結合在一起，提出了一種折中的學說——燃素說。
燃素說把火看成是由無數細小而活潑的微粒構成的物質實體。這種火的微粒既能同其他物質元素結合而形成化合物；也能以遊離方式存在，所謂的遊離就是單獨存在的形式。遊離的火微粒大量地聚集在一起，能形成明顯的火焰，彌散於大氣之中，給人以熱的感覺。由這種火微粒構成的火的元素，就叫做“燃素”。
按照燃素說，燃素充塞於天地之間，流動於雷電風雲之中。在地球上，動物、植物、礦物都含有燃素。大氣中含有燃素，因而會在空氣中引起閃電，而使大氣動蕩不已；生物中含有燃素，所以才生機勃勃；無生命物質含有燃素，就會燃燒起來。燃素不僅具有各種機械性質，而且又像靈魂一樣，本身就是一種動因，是“火之動力”。物體失去燃素，變成死的灰燼。灰燼獲得燃素，物體又會複活。