秦汉时期的物理知识有着丰富的内容，在力学、热学、声学、光学、电和磁等方面，同先秦时期相比，都有不少新的成果。
第一节力学知识
关于力的性质和作用的认识
继春秋战国时期墨家学派对力进行定义（“力，刑之所以奋”）之后，秦汉时期对力的认识又有发展。在西汉刘安（前179—前122）组织编写的《淮南子》、《淮南万毕术》和东汉王充（27—约79）所著的《论衡》等著作中有许多精彩的论述。归纳起来约有以下几点：物体内力不能使物体自身发生运动：“力重不能自称，须人乃举。..古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举，不能离地。”①这是关于物体的内力不能使物体自身产生运动的最早表述。
外力的作用因物体重量的不同而不同：“湍濑之流，沙石转而大石不移。何者？大石重而沙石轻也。..金铁在地，焱风不能动；毛芥在其间，飞扬千里。”①物体形状影响了物体的运动：“圆物投之于地，东西南北，无之不可，策杖叩动，才微辄停；方物集地，一投而止，及其移徒，须人动举。”②移动物体所需之力比举起物体所需之力少：“夫举重鼎者，力少而不能胜也；及至其移徙之，不待其多力者。”③就是说，移动物体要比举起该物用力少。这是从日常生活经验中就可得知的，但已隐含着对移动摩擦阻力问题的认识。此同先秦著作《考工记》中所提到的车轮着地须“微至”，以减少滚动摩擦阻力的认识相类似。
有锋刃的器具也须外力作用才能产生运动：“凿所以入木者，槌叩之也；锸所以能撅地者，跖蹈之也。诸有锋刃之器，所以能断割削者，手能把持之也，力能推引之也。”④如果没有外力，利器也不能发挥作用：“干将之刃，人不推顿，苽瓠不能伤；苽瓠之箭，机不动发，鲁缟不能穿。”⑤截面积对压力有直接影响，截面积越大，压力越小：“针锥所穿，无不畅达；使针锥末方，穿物无一分之深矣。”⑥关于“势”的概念在先秦著作《孙子·势篇》中提出了“势”的概念，此概念包含了物理学中的动能和势能。如“激水之疾，至于漂石者，势也”，指的是动能；“转圆石于千仞之山者，势也”，指的是势能；“势如彍弩，节如发机”，指的是弹性势能。至秦汉时期对于“势”的概念亦多有论述。如“夫舟浮于水，车转于陆，此势之自然也。”①“夫七尺之桡，而制船之左右者，以水为资。①《论衡·效力》。
①《论衡·状留》。
②《论衡·状留》。
③《淮南子·主术训》。
④《论衡·效力》。
⑤《论衡·效力》。
⑥《论衡·状留》。
①《淮南子·主术训》。
天子发号，令行禁止，以众为势也。”②“是故得势之利者，所持甚小，其存甚大；所约甚守，所制甚广。是故十围之木，持千钧之屋；五寸之键，制开阖之门。岂其材之巨小足哉，所居要也。”③十围之木与五寸之键，巨小悬殊，但因五寸之键居于要处，故其用甚大。对于弓矢之势，视远近而有别：“矢之于十步，贯兕甲；及其极，不能入鲁缟。”注云：“言势有极。”④就是说，矢至最大射程时，动能为零（势有极），虽薄如鲁缟，亦无力穿入。
对浮力的认识和利用对水浮力：远古时代已有舟楫，因而对水浮力早有所认识。秦汉时期造船业具有一定规模，水浮力在实践中得到广泛的利用。如“抱壶而渡水”⑤，“鸿毛之囊，可以渡江。”⑥也就是说，空壶和装满鸿毛的皮囊，可以助人渡江。这可看成是后世救生圈、救生衣的滥觞。人们还从竹和金属相比较角度对水浮力进行探讨：“长竹之性浮，残以为牒，束而投之水则沉，失其体也；金之性沉，托之于舟上则浮，势有所支也。”⑦秦汉时期对空气浮力也有一定的认识。相传帝舜曾借助于空气浮力而免于死难。因舜父瞽叟偏爱后妻子，常欲杀舜。有一次，瞽叟让舜上粮仓（廪）修顶，“瞽叟从下纵火焚廪。舜乃以两笠自扦而下，去，得不死。”①王莽时为抗击匈奴，特招募“有奇技术可以攻匈奴者，..或言能飞，一日千里，可窥匈奴。莽辄试之，取大鸟翮为两翼，头与身皆著毛，通引环纽，飞数百步坠。”②这是人类第一次仿生滑翔飞行的大胆尝试。
对于表面张力的认识秦汉时期，人们已注意观察液体的表面，记载了一种属于液体表面强力的现象。《淮南万毕术》云：“首泽浮针。”高诱注：“取头中垢以涂针，塞其孔，置水即浮。”因头垢有油脂，涂在针表面，并塞其孔，钟与水便不浸润，当针足够轻的时候，由于水的表面张力的作用，便能使针浮于水面。这是关于表面张力的最早记载。其后晋葛洪说：“头垢犹足以使金铁浮水，况妙于兹乎？”③即是指表面张力现象。
对大气压力的利用有关利用大气压力的具体例子突出表现在制造虹吸管上。东汉灵帝中平年间（公元184—189年），掖庭令毕岚曾作“翻车”、“渴乌”，李贤等注②《淮南子·主术训》。
③《淮南子·主术训》。
④《淮南子·说林训》。
⑤《淮南子·说林训》。
⑥《淮南万毕术》。
①《史记·五帝本纪》。
②《汉书·王莽传》下。
③《抱朴子·登涉》。
云：“翻车，设机车以引水；渴乌，为曲筒，以气引水上也。”①渴乌就是利用大气压力而制成的虹吸管。此种虹吸管自汉代以后，历代都有制造。
关于运动问题，汉代有一段非常精彩的论述：“地恒动不止，人不知，譬如人在大舟中，闭牖而坐，舟行，不觉也。”②这段话清楚地表明了地动思想和运动相对性思想，是十分可贵的。可惜的是，这两种重要思想未受到后世应有的重视。
①《后汉书·张让传》。
第二节热学知识
对热的认识和利用热是人类须臾不可离的。秦汉时期，人们在日常生活中逐渐积累了不少热的知识。
在燃料方面，人们除了使用木炭和煤以外，还发现了新的能源——石油。《汉书·地理志》载：“高奴有洧水，可燃。”当地人用它来做过燃料是有可能的。
这一时期对烟囱和火道等通风设施与燃烧程度的关系也有一定的认识。
当时已有关于“曲突徙薪”的见解：“客有过主人者，见其灶直突，傍有积薪。客谓主人，更为曲突，远徙其薪，不者且有火患。”③这里的“突”指的是烟囱，“直突”就是把烟囱安在火膛的上方；“曲突”则是让火焰先通过一段火道，然后再通向烟囱。直突火势过盛，容易招致火灾，因此居家不宜；而曲突可使火势延缓，有利于炊事安全。
秦汉时期，人们已能利用热胀冷缩的现象于工程施工上。据载秦国李冰父子在修建都江堰的施工中，曾采用“积薪烧之”的方法，坼裂岩石，开山劈岭。即是先用柴草烧炽岩石，使其热胀冷缩不均匀而致裂解①。东汉武都太守虞诩在开通粮道时，也使用此法：“使人烧石，以水灌之，石皆坼裂，因镌去石。”②这是工程实践中的巧妙发明。
秦汉时期人们还开始利用热气流。《酉阳杂俎》载：“汉高祖入咸阳宫，宝中尤异者有青玉灯，檠高七尺五寸，下作蟠螭，以口衔灯。灯燃则鳞甲皆动，炳焕若列星。”③蟠螭的鳞甲可能是很薄的金属片所制，燃灯所产生的热气流向上冲动这些鳞片，致使其炳焕若列星。除了生产生活实践中利用热气流外，人们还做些热气流或热膨胀方面的科学实验。《淮南万毕术》云：“艾火令鸡子飞。”高诱注：“取鸡子去其汁，燃艾火，内空卵中，疾风因举之飞。”事实上由燃艾而引起的热气流外喷不足以令鸡子自飞，但空卵内的空气受热膨胀而使比重减小，从而在疾风中飞行短短的一段是有可能的。后世热气球的原理与此完全相同，只是升力更大而已。
对水的三态变化的认识和利用秦汉时期已经知道水的三态变化，并且知道水的蒸发、凝结同温度有密切的关系。如《大戴礼记》说：“天地积阴，温则为雨，寒则为雪。”《论衡》更进一步指出：“云雾，雨之征也。夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。”①汉刘熙《释名》曰：“雪，绥也。水下遇寒而凝，绥绥然下也。”《韩诗外传》曰：“凡草木花多五出，雪花独六出。雪花曰霙，雪云曰同云。”③《汉书·霍光传》。
②《后汉书·虞诩传》注引《续汉书》。
③段成式：《酉阳杂俎·物异》。
①《论衡·说日》。
②汉代人们还做过沸水骤然冷却的实验，由此可以获得低于大气压力的效应，尽管古人当时可能没有低压的概念，但在实践中已有此经验知识。《淮南万毕术》云：“铜瓮雷鸣。”高诱注：“取沸汤置铜瓮中，坚密塞，内之井中，则雷鸣闻数十里。”这是二次沸腾现象。沸汤倒入铜瓮后，即止沸。但坚密塞后，入井中骤冷，瓮中液面蒸汽由于迅速冷凝而使气压骤降，因而引起了二次沸腾；同时因瓮内气压低，致使外力挤压铜瓮，从而使瓮壁塌陷或破裂，发出巨响。至于声闻数十里则是夸张之词。
《淮南万毕术》还提到用沸汤造冰的实验：“取沸汤置瓮中，密以新缣，沉井三日，成冰。”这是属于通过减压来提高冰点的实验。但是此种气压的降低对水的冰点的提高影响甚微，因此这个实验是不可能成功的。可是既有如此记载，说明当时人们是在没有经验事实的情况下提出人工造冰的想法的，必定是受到了某些经验的启示。我国古代典籍中不止一次提到“夏造冰”。如《庄子·徐无鬼》说到鲁遽的弟子曰：“我得夫子之道矣，吾能冬爨鼎而夏造冰。”这里的“夏造冰”只是说说而已，未必能造成。《淮南子》对此就明确地否定，在“以冬铄胶，以夏造冰”句下，高诱注曰：“言以非时铄胶、造冰，难成之也。”这说明当时的人就指出：“夏造冰”是不可能的。但是从获得低气压的手段来说，上面两条实验是很先进、很了不起的。
成书于西汉的《黄帝内经》曾谈到寒温燥湿对大地的影响：“燥胜则地干，暑胜则地热，风胜则地动，湿胜则地泥，寒胜则地固矣。”又说：“燥以干之，暑以蒸之，风以动之，湿以润之，寒以坚之，火以温之。故风寒在下，燥热在上，湿气在中，火游行其间。”①人们生活在不断变化的寒温燥湿的环境中，需要时刻掌握其变化规律。在对寒温燥湿的大量实践认识的基础上，人们制造了最原始的温度计和湿度计。
最原始的温度计是利用水的结冰和溶化来判断气温的变化。“睹瓶中之冰，而知天下之寒。”②“见瓶中之水，而知天下之寒暑。”③寒与不寒，人体当然能够感觉出来，周围的景物也可以做参考，但专门设置一铜瓶进行测温，这在科学认识论和方法论上是前进了一大步，反映了我国先民可贵的实验精神。
汉代人们测量燥湿变化的方法也是相当科学的，即是把炭和羽毛或其他物质放在天平的两端，经过一段时间后视其两端的起伏，就能判断燥湿。《淮南子》云：“悬羽与炭，而知燥湿之气。”①“燥故炭轻，湿故炭重。”②这是利用炭与羽的不同的吸湿性来制成最原始的湿度计。《史记·天官书》有类似的记载：“冬至短极，悬土炭。”裴骃《集解》引孟康曰：“先冬至三日，悬土炭于衡两端，轻重适均，冬至日阳气至则炭重，夏至日阴气至则土重。”又引晋灼曰：“蔡邕《律历记》：‘候钟律权土炭，冬至阳气应黄钟通，土炭轻而衡仰，夏至阴气应蕤宾通，土炭重而衡低。进退先后，五日之②《艺文类聚·天部》下引。
①《黄帝内经素问·五运行大论》。
②《淮南子·说山训》。
③《淮南子·兵略训》。
①《淮南子·说林训》。
②《淮南子·天文训》。
中。’”前者是把土与炭放于衡之两端；后者则把土炭合放一端，另一端为砝码。古代测定燥湿的方法有多种，王充在《论衡》中记述了另一种判断燥湿的方法：“天且雨，蝼蚁徙，蚯蚓出，琴弦缓。”③其中琴弦缓属于人们可以测量的物理现象，据此可以预报晴雨天气。王充还对寒温的传播做了研究，指出：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微。何则？气之所加，远近有差也。”④这实际上是从“气”的角度探讨热的传导的问题，明确指出，热是靠气来传导的，愈远，热在传导中损失就越大，因而渐微。
③《论衡·变动》。
④《论衡·寒温》。
第三节声学知识
秦汉时期声学得到进一步的发展。一方面是乐器的种类增多，不仅编钟和编磬每组增加至三十余架，而且还出现了笛、阮、箜篌等新的乐器。另一方面是音律学的实践和理论探讨有所前进，开始对十二律的旋宫难题进行研究。
十二律和六十律秦相吕不韦（？—前235）所组织编写的《吕氏春秋》记述了十二律的律名：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射、应钟。其生律法是三分损益法，即从黄钟起隔八相生：“黄钟生林钟，林钟生太簇，太簇生南吕，南吕生姑洗，姑洗生应钟，应钟生蕤宾，蕤宾生大吕，大吕生夷则，夷则生夹钟，夹钟生无射，无射生仲吕。”①但是这种用三分损益法生律生到第十二律后，不能回到出发律上，亦即不能旋相为宫。为解决这个问题，西汉京房（前77—前37）提出六十律制。即从黄钟起生到第十二律仲吕后，继续往下生律，直到六十律“南事”为止。《后汉书》载：“六十律相生之法：以上生下，皆三生二；以下生上，皆三生四。阳下生阴，阴上生阳，终于中吕，而十二律毕矣。中吕上生执始，执始下生去灭，上下相生，终于南事，六十律毕矣。”②事实上，当京房用三分损益法生律到第54律时，就与出发律很相近，只差一个微小的音差（3.61355音分值），按说此时就可以旋宫转调。可是京房把律数与历数统一起来，就一直生到六十律，即把六十律中的每一律代表一天至八天，使六十律正合一年三百六十六天。京房这种生律法虽较烦琐，在演奏实践和乐器制造方面都有困难，但生律法本身则是一个有创见的尝试，它通过继续生律的办法来找到微小音差，以实现旋宫的目的，具有一定的科学性。
京房还认为“竹声不可以度调”，即认为律管不能用以定律。因为律管的口径和管长都须经校正，而管口校正则是一个相当困难的事。因此京房特地“造准以定数”，即用弦来定律。《后汉书·律历志》上对京房准做了介绍：“准之状如瑟，长丈而十三弦，隐间九尺，以应黄钟之律九寸；中央一弦，下有画分寸，以为六十律清浊之节。”
1973年长沙马王堆一号汉墓出土了西汉景帝前元七年（公元前150年）
的一组律管，共十二支，最长为17.65厘米，最短为10.2厘米，孔径约0.65厘米①。这组律管的出土对于探讨我国古代以管定律提供了重要的参考资料。从文献资料来看，秦汉时代已有用管定律的内容。《汉书·律历志》孟康注：黄钟空围九分，林钟空围六分，太簇空围八分。说明不仅律管的长度不同，而且内径也各不相同。显然已经过管口校正。
共振共鸣①《吕氏春秋·音律》。
②《后汉书·律历志》上。
①《长沙马王堆一号汉墓》第102页，文物出版社1973年版。
秦汉时期，人们对于共鸣现象也作了进一步的研究。《庄子》中说：“为之调瑟，废一于堂，废一于室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。夫或改调一弦，于五音无当也，鼓之，二十五弦皆动。”②《淮南子》也做了类似的论述，说是“同音之相应”③。用“音律同”或“同音之相应”很容易给人以错觉，认为它是“自鸣”。董仲舒对此做了批驳。他说：“琴瑟报弹其宫，他宫自鸣而应之，此物之以类动者也。其动以声而无形，人不见其动之形，则谓之自鸣也；又相动无形则谓之自然。其实非自然也，有使之然者矣。”①他指出这种鼓宫宫动、鼓角角动的现象，是由于“物之以类动者”，“实非自然也”。董仲舒的看法是正确的，因为弦线不会自鸣，不会自振动，它必须是在周期性变化的外力的作用下，当外力的振动频率与弦线的固有频率很接近或相等时，才会引起共振共鸣。
②《庄子·徐无鬼》。
③《淮南子·齐俗训》。
①董仲舒：《春秋繁露·同类相动》。
第四节光学知识
关于目视物问题
东汉王符所撰《潜夫论》中说：“中阱深室，幽黑无见，及设盛烛，则百物彰矣。此则火之耀也，非目之光也，而目假之则为已明矣。”②这是说目能视物是由于借物之光，若没有外光，目即“无见”。此同先秦时期墨家学派关于“目以火见”的见解是相一致的。《潜夫论》又说：“偶烛之施明于幽室也，前烛即尽照之矣，后烛入而益明，此非前烛昧而后烛彰也，乃二者相因而成大光。”③这是关于两个光源照度叠加的论述。
关于平面镜组合成像的实验《淮南万毕术》云：“高悬大镜，坐见四邻。”注：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”此种平面镜组合的实验装置，可以克服障碍，扩大视野，其原理与后世之潜望镜相合。
凹面镜与透镜先秦时期已有用金属凹面镜取火。《周礼、秋官》载：“司烜氏掌以夫燧取明火于日，以鉴取明水于月。”①《礼记》载：“金燧。”②《考工记》载：“金有六齐，..金锡半，谓之鉴燧之齐。”③这里的燧，都是指阳燧，即金属凹面镜。《淮南子》云：“阳燧见日则燃而为火。”④又云：“若以燧取火，疏之则弗得，数之则弗中，正在疏数之间。”⑤此处“疏数之间”指的是阳燧的焦距，说明当时就有焦距概念，这是中国古代光学中的一大进步。秦汉时代有没有用透镜取火？这是个长期争论的问题。《管子》中提到：珠能取火。“珠者，阴之阳也，故胜火。”⑥《论衡》说：“阳燧取火于天。五月丙午日中之时，消炼五石，铸以为器，磨砺生光，仰以向日，则火来至。”⑦此处的阳燧仍为凹面镜，但消炼五石所制之器，则可能是透镜。《淮南万毕术》中记载了冰透镜取火：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”这是我国关于冰透镜取火的最早记载。
透光镜②《潜夫论·赞学》。
③《潜夫论·释难》。
①《周礼·秋官·司烜氏》。
②《礼记·内则》。
③《周礼·考工记》。
④《淮南子·天文训》。
⑤《淮南子·说林训》。
⑥《管子·侈靡》。
⑦《论衡·率性》。《论衡·乱龙》也有关似记载。
上海博物馆珍藏有一面西汉时的“透光镜”。此镜为铜制，背面铭文有“见日之光，天下大明”八个字，正面光可照人。但若把它对日反射日光，则背面花纹文字悉映于墙壁上，故被称为“透光镜”。隋唐之际王度的《古镜记》说有一镜，“承日照之，则背上文画，墨入影内，纤毫无失”即指此种透光镜。为何铜质之镜能“透光”？奥妙在造镜技术上。唐宋以下探索此技术者代不乏人。宋沈括认为；“铸时薄处先冷，唯背文差厚后冷而铜缩多，文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。”①这就是说，因铸造时厚薄不同，因而冷缩的先后有差别，从而使镜面产生细小的曲率差异，反射日光时就会把背面文画映出来。元代吾丘衍在《闲居集》中说：“如镜背铸作盘龙，亦于镜面窍刻作龙如背所状，复以稍浊之铜填补铸入，削平镜面，加铅其上，向日射影，光随其铜之清浊分明暗也。”这种补铸的办法，的确也能制出“透光镜”来。还有的认为是压磨所致，即在磨镜面时，薄处因弹性作用，磨得少，呈稍凸，厚处受力大，磨得多，呈微凹，结果就能在日光下反映出背部花纹。事实上，上述三种办法都能制成“透光镜”。
①《梦溪笔谈·器用》。
第五节电和磁的知识
电雷电风雨是最普遍的自然现象。从远古时代起，人们就注意观察雷电现象，留下了不少记载。如“雷风相薄”①、“雷雨作而百果草木皆甲坼”②、“雷不发而震”③、“雷电击夷伯之庙”④、“三月癸酉大雨震电。震，雷也；电，霆也”⑤等等。人们震慑于雷电，但也试图对其起因及性质进行探索。秦汉时期的典籍中对此屡有论述。如“阴阳相薄为雷，激扬为电。”⑥“盛夏之时，太阳用事，阴气乘之。阴阳分争，则相校轸，校轸则激射。”⑦这是用阴阳观点来解释雷电产生的原因。此种观点在中国流行了二千多年。
史载车师后王姑句家“矛端生火”⑧，这可能指的是尖端放电现象。
磁石汉代人们也已发现摩擦起电的现象，并把此种现象同磁石的吸铁性联系在一起。如“顿牟掇芥，磁石引针。”①顿牟即玳瑁，其甲壳经摩擦后会产生静电，可以吸引芥一类的轻小物体。至于磁石吸铁性早在先秦时期就有所认识。只是汉代人们又有新的发现，即磁石不能吸引铁以外的物体。如《淮南子》云：“若慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。”②又云：“慈石能引铁，及其于铜则不行也。”③显然，这些知识是在科学实验的基础上获得的。汉代人们还做了磁石本身相互吸引、排斥的有趣实验。如《淮南万毕术》云：“磁石拒棋。”注：“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上，即相拒不休。”棋头涂以磁石，便赋磁性。相拒不休，即是磁石的同性相斥、异性相吸现象。
秦始皇时代还利用磁石的吸铁性建造阿房宫的北阙门④，为的是使“怀刃者止之”。
磁石的指极性在先秦时期也已被发现并用来做成磁性指向器——司南。
关于司南的形制，王充在《论衡》中说：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”⑤据近人王振铎的研究，司南是用天然磁石琢磨成的勺状物，底部呈球形，放①《易·说卦》。
②《易·解》。
③《左传》昭公四年。
④《公羊传》僖公十五年。
⑤《烜榖梁传》隐公九年。
⑥《淮南子·墬形训》。
⑦《论衡·雷虚》。
⑧《汉书·西域传》下。
①《论衡·乱龙》。
②《淮南子·览冥训》。
③《淮南子·说山训》。
④《史记·秦始皇本纪》注引《三辅旧事》。
⑤《论衡·是应》。
在地盘上，可自由旋转，旋定，其柄指南。“投之于地”的“地”字，指的是古代栻占用的地盘①。地盘呈正方形，为铜制或漆木制，四周标有八干、十二支和四维合为二十四向。中间天盘呈圆形，作投转司南之用。整个地盘是采天圆地方之制。这种司南可以看成是后世指南针的前身。
①王振铎：《司南指南针与罗经盘——中国古代有关静磁学知识之发现及发明》上，《中国考古学报》，第三册，1948年。