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用,伽利略发现它的速度并不是一个恒定值,而是随时间增加。伽
利略的测量表明,速度和经过的时间
t成正比。
换句话说,当一个物体在一恒定外力的作用之下,从静止开始
时,它的速度可以表示为:
v=kt 。
那么
k的值是多少呢?
从实验中很容易发现,这个值和斜面的坡度有关。斜面愈近
于垂直,球滚动的速度就愈快,
k值也就愈大;在斜面完全垂直时,
也就是在没有减弱的引力作用的情况下,球自由落下时,速度增加
得最快。在引力没有减弱的情况下,常用
g来表示
k,所以一个从
静止开始的自由落体,它的速度是:
v=gt 。
让我们来考虑一下斜面。在这个图
中:
斜面的长度是
AB,高度是
AC。AC
对
AB的比值是角度
x的正弦,通常写
为
sinx。
我们可以依照特定的角度绘出三角形,然后量出它的高及斜
面长度,求得
sinx的近似值。或者是用数学的技巧,求出任一精
确角度的值。把这些值可以列成一个表,通过查阅表,我们就可得
到任一角度的值,比方说
sin10°大约是
0。17365,Sin45°差不多是
0。70711等等。
有两个重要的特殊情况:假设“倾斜的”平面呈完全水平,那么
角度是零,这倾斜面的高度也是零,则高度对斜面长度的比值当然
也是零。换句话说,
Sin0°=0。当倾斜面完全垂直时,它与底面构
成直角,或
90°角。它的高正好等于它的长,因此两者的比率是
1。
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因此,sin90°=1。
现在,让我们回到由斜面滑下的球的速度与时间成正比的方
面来:
v=kt
实验可以证明,k值随角度的正弦而变化,因此:
k=k'sinx
k'用来表示一个和
k不等的常数。
其实,三角函数和斜面的关系,早在伽利略时代之前,就已经
由史蒂文发现,他也做了著名实验,就是把不同质量的物体从一个
高度掉下;已往大家都误认为这个实验是伽利略做的。不过,即使
伽利略不是第一位做实验和做测量的人,他也是第一位让科学界
深深了解到实验及测量之必要性的人。就这一点而言,成就已是
相当辉煌了。
在斜面完全垂直的情况下,
sinx成了
sin90°,其值是
1,所以在
自由落体中:
k=k'
也就是说,k'是在自由落体中承受未被减弱的引力作用时的
k
值,这个值我们已经说过用
g来表示,我们可以用
g来代替
k',因
此对于任何坡度的斜面来说:
k=gsinx
所以,一个由斜面上滑下的物体,其速度方程是:
v=(gsinx)t
在水平平面上,因为
sinx=sin0°=0,所以速度方程为:
v=0
也可以这样说,一个在水平面上一开始就静止的球,无论经过多少
时间,都会保持不动。一个静止的物体有保持静止的倾向等等,这
是牛顿第一运动定律的一部分,是由斜面的速度方程推导出来的。
附录:科学中的数学
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假设一个球并不是从静止开始,而在开始下落之前就有一初
始运动。换句话说,假设你有一球沿水平平面以每秒
5米的速度
滚动着,突然滚到一个斜面的上端点而开始往下滚。实验表明,在
下滚的任何时刻,球的速度要比从静止开始下滚的速度大每秒
5
米。换句话说,一个从斜面下滚的球,它的运动方程可以更完整地
写为:
v=(gsinx)t +V
V是起始速度。如果一个物体从静止开始,那么
V等于零,这时
运动方程就成了我们以前写过的:
v=(gsinx)t
如果我们再考虑一个具有某个起始速度,而在水平平面上运
动的物体,因为角度
x是
0°,所以方程成为:
v=(gsin0°)+V
因为
sin0°是零,所以也可以写成:
v=V
因此,像这样的物体,不管时间经过多久,它的速度会始终保持起
始的速度。这是牛顿第一运动定律的另一部分,也是从观察斜面
运动推导出来的。
速度改变的快慢程度叫做加速度。比方说,一个从面上滚
下来的球,在相继的每一秒钟结束的时候,它的速度是每秒
2、4、
6、8……米,那么它的加速度便是
2米每秒平方,通常写为
2米/秒2)。
在自由落体中,如果我们用这个方程:
v=gt
则在每秒的下落中,速度会每秒增加
g米。因此,g便表示由引
力造成的加速度。
g的值可以由斜面实验来决定。我们将斜面方程改写为:
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g=v/(tsinx)。
由于
v、t和
x都可以测量,由此
g便可算出。结果在地球表面
上,它的值是
9。8米每秒平方。在地球表面正常引力下的自由落
体,下落速度和时间的关系便可写为:
v=9。8t
这就是对伽利略当初所提问题的解答,也就是决定落体的速率,以
及该速率变化的方式。
下一个问题是:在一定的时间之内,球降落了多少呢?从速度
与时间的关系方程,可以用微积分中积分的方法,导出距离及时间
的关系。然而这样做并无必要,因为这一方程可以由实验做出,而
且实际上伽利略已经做出了。
他发现,从斜面上滚下来的球所走的距离和时间的平方成正
比。换句话说,时间加倍距离会增为
4倍;时间
3倍则距离会增为
9倍,依此类推。
对一个自由落体而言,距离
d和时间的方程是:
d=1/2gt2
因
g等于
9。8,也可以写为:
d=4。9t2
接下去,假设物体不是由静止开始下落,而是从高空中水平地
抛出,它的运动将会由两种运动合成,一种是水平的,另一种则是
垂直的。
在水平方向上,如果我们不考虑风力、空气阻力等等,则由于
除了开始的冲力外,并没有其他任何作用力,所以根据第一定律,
是一种匀速运动,因而物体所走的水平距离跟经过的时间成正比。
然而在垂直方向上所走的距离,如同我们刚才解释过的,和时间的
平方成正比。在伽利略之前,人们含糊地相信,一个类似炮弹的抛
射体会依直线运动,直到推动它的推力用完,再垂直地落下。但伽
附录:科学中的数学
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利略却有了巨大的进展,他把这两种运动结合起来了。
这两种运动的结合(与时间成正比的水平方向运动和与时间
的平方成正比的垂直方向的运动),形成了一条叫做抛物线的曲
线。即使一个物体不是水平地被抛出,而是向上或向下抛出,其运
动的曲线仍是一条抛物线。
这样的运动曲线当然适用于像炮弹一类的抛射体,所以也有
人称之为弹道。从伽利略对弹道所做的数学分析,使我们能计算
出当一枚炮弹以一定的爆炸力量和一定的仰角发射时,它将落于
何处。虽然几千年来人们曾经为了好玩、为了觅食、为了攻击或防
御而扔东西,但是由于伽利略的实验和测量,才产生了一门叫弹道
学的科学。说来也巧,这也是现代实验科学直接用于军事的第一
项成果。
在理论上这项成果也有相当重要的应用。把一种以上的运动
加以结合的数学分析,解决了哥白尼学说的一些异议。它说明了
向上抛出的物体不会被运动着的地球甩掉,因为这个物体有两种
运动:一种是由上抛时的推力所造成,另一种则由运动的地球所造
成。这个分析立刻使我们很合理地期望地球也有两种运动:绕轴
自转和绕太阳公转;这是不相信哥白尼学说的人所无法想象的。
牛顿第二和第三定律
牛顿把伽利略的运动概念扩展到天体,证明这些运动定律在
天体中也像在地球上一样适用。
他开始考虑月球由于受到地球引力的缘故,可能朝地球降落,
但是由于运动的水平部分使它不致于撞击到地球表面。如同前面
所说的,一个水平发射的抛射体,会沿着抛物线路径向下而和地球
表面相交;但是由于地球是球体,它的表面也向下弯曲,当以足够
快的水平运动速率发射的抛射体,可能向下弯曲的速率不如地球
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表面下弯得快,因此抛射体会永远围绕着地球旋转。
现在,月球绕地球的椭圆运动可以分成水平和垂直运动两种
成分,垂直运动使月球每秒朝地球落下大约
0。13厘米;在这段时
间里,它在水平方向移动了大约
1 006米,足以补偿它的下落,使
它继续绕地球曲率运转。
问题是:导致月球下落
0。13厘米和从树上掉下来的苹果在第
一秒内降落
4。9米是否是同一引力所造成的呢?
牛顿设想,地球表面的引力,像是一个正在膨胀的大球,向各
个方向上扩展。球的表面积
A则和半径的平方成正比:
A=4πr2
他因此推断:分布于球面的引力,必然随半径的平方而减弱。光和
声音的强度是随距离的平方而减弱的,引力又何以不会这样呢?
地球中心到它表面上一个苹果的距离差不多是
6 400公里,而
从地球中心到月球则大约是
386 000公里。由于到月球的距离比到
苹果的距离大
602倍,所以地球对月球的引力比对苹果的引力弱
602倍,或者说弱
3 600倍。将
4。9米除以
3 600,得数约为
0。13厘
米。因此牛顿认为,月球的确受到地球引力吸引的支配而运动。
牛顿继续考虑质量和引力的关系。一般来说,我们把质量和
重量混为一谈,但重量只是受到地球引力吸引的结果,如果没有引
力,一个物体会变得没有重量;然而,它还是保持着一定的质量。
因此,质量与重量无关,应该能够用一种不涉及重量的方法来计
量。
假设你在一个完全没有摩擦的平面上,与地球表面成水平地
拉动一个物体。虽然已经没有任何来自引力的阻力,由于物体惯
性的缘故,你仍需用力才能使这个物体移动,并加速它的运动。
如果你精确地测量所施的力,比方说,通过拉动附在物体上的
弹簧秤,你会发现使物体产生一定加速度
a所需的力
f和物体的
附录:科学中的数学
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质量
m成正比。如果你把质量加倍,你便需要花两倍的力。对一
个一定质量的物体,所需施的力和想要的加速度成正比。以数学
的方式来讲,可以用这个方程来表示:
f=ma
这就是牛顿第二运动定律。
正如伽利略所发现的,地球的引力使所有的物体,不管轻的或
重的,都以完全相同的速率加速。空气阻力可能使非常轻的物体
的降落速度减慢,但是在真空中,一根羽毛和一铅块会降落得一样
快,这很容易证明。如果牛顿第二运动定律成立,那我们可以推出
这样的结论:地球的引力作用,对重的物体要比对轻的物体来得
大,才能产生相同的加速度。比方说,要加速一个质量是另一个物
体
8倍的东西,则需要
8倍的力。因此,作用于任何物体上的地球
的引力都必然和它的质量正好成正比。事实上,这便是在地球表
面上质量可以计量得和重量一样的原因。
牛顿还推导出第三运动定律:对于每一作用,都有一大小相
等、方向相反的反作用。这个定律适用于力的观念。换句话说,如
果地球以一定的力吸引月球,那么月球也以相等的力吸引地球。
按照第二定律,如果月球的质量突然加倍,地球作用在它上面的力
也会随之加倍。当然,按照第三定律,月球对地球的引力也会加
倍。
同样,如果不是月球,而是地球的质量加倍,按照第二定律,月
球作用在地球上的引力会加倍,同时按照第三定律,地球作用于月
球的引力也会加倍。
如果地球和月球的质量都加倍,则会有两个加倍,每一个物体
的引力都会加倍两次,总共增加为
4倍。
在这种推理之下,牛顿只能做出这样的结论,就是宇宙中任何
两个物体之间的引力和它们质量的乘积成正比。同时,当然也和
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两者中心的距离之平方成反比。这就是牛顿的万有引力定律。
如果我们用 f 表示引力,m1和 m2表示两物体的质量,d表
示两者之间的距离,那么这个定律可以写成:
Gm m
f =
12
2
d
G是万有引力常数,它的值可以用来测量地球的重量(详见第四
章)。牛顿推测在宇宙各处 G都是一个恒定值。随着时间的推
移,人们发现在牛顿时期未能看见的行星,以牛顿定律的要求在运
动,甚至遥远的双星也按照牛顿关于宇宙的分析在运行。
这一切都是由伽利略对宇宙的新的定量观点得来的。你可以
看得出,牵涉到的数学大都十分简单,所提到的都是高中代数而
已。
事实上,我们上面所介绍的最重要的一项智慧革命是:
1。 简单的一组观察,任何学过高中物理的学生稍微接受一点
指导就有可能做出来。
2。 简单的一组只有高中程度的数学概念。
3。 两位杰出的天才,伽利略与牛顿。他们有特殊的洞察力和
创造力,因而首先完成了这些观察和推论。
相 对 论
由伽利略和牛顿所推衍出的运动定律必须依靠一项假设,就
是绝对运动的存在。所谓绝对运动,也就是相对于静止物体的运
动。我们知道宇宙中的每一个物体,如地球、太阳以及所有的银河
系都在运动,那么在宇宙中,我们怎样才能找到绝对的静止,来测
附录:科学中的数学
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量绝对的运动呢?
迈克耳孙…莫雷实验
由于这条思路,引出了迈克耳孙 …莫雷实验,而这个实验又导
致如同当年伽利略那样伟大的科学革命。在这里,基本的数学也
是相当地简单。
这个实验是尝试测定地球相对于以太的绝对运动。以太被认
为充满了整个宇宙,而且是静止的。实验的推理如下:
假设有一束光,沿地球运行的方向通过以太;在这个方向的某
处,固定一面镜子把这束光反射回光源。让我们以 c来表示光的
速度,以 v来表示地球通过的以太的速度,光源离镜子的距离是
d。光束以它自己的速度加上地球的速度开始,也就是一般所说
的顺风。它到达镜子需要的时间是 d除以( c + v)。
然而在回程中,情况正好相反。反射的光束正好逆着地球的
速度方向射过来,因此它的净速度是 c …v,它返回光源所需的时
间是 d除以( c …v)。
往返一次所需的总时间是:
dd
+
cv c 。
+
v
把这两项做代数的相加,我们得到:
( 。
v) +
dc +
v) dc 。
dv +
dc +
dv
dc (2dc
22 22
(c +
v)( c 。
v) c 。
vc 。v
现在假设光束进行的方向和地球通过以太的方向垂直,那么
这束光从 S射向距离 d处的镜子 M时,在光束到达镜子的这段
时间里,地球的运动已把镜子从 M带到 M'处,所以光束真正走的
路径是从 S到 M'。这个距离我们叫它 x,而从 M到 M'的距离叫
做 y(见下页图)。
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当光束以速度
c在距离
x中
运动时,镜子也以地球速度
v在
距离
y中运动。由于光束和镜子
同时到达
M',因此所走的距离必
然和各自的速度成正比。所以,
yv
=
x c
或者:
y =vx
c
现在,我们可以用毕达哥拉斯定
理(勾股定理)求出
x的值。毕
氏定理告诉我们,在直角三角形中,两直角边的平方和等于斜边的平
方。因此,以
vx/c代表
y,在直角三角形
SMM'里:
22 。
vx 。2
x =
d +。
。
。
c 。
2 。
vx 。22
x 。=
d
。。
。
c 。
22
vx x2。
2 =
d 2
c
22 22
cx 。
vx 2
2 =
d
c
2 22 22
(c 。
v )x =
dc
22
2 dc x =
c2。
v2
dc
x =
c2。v2
光束在
M'被镜子反射回到光源,在这段时间内光走到
S″。
由于
S'S″和
SS'距离相等,所以
M'S″的距离也就等于
x。所以光
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束走的总距离是
2x,或者是
c
22
dc
。v2
。
光束走这段距离所需的时间是:
2dc 2d
c
÷=
22 22
c 。vc 。v
这和光束沿地球运动的方向往返一次所需的时间比起来是怎
样呢?让我们把平行情况下所需的时间
。。。
c22。
dcv2
。
。。
除以垂直情况下
。。
所需的时间
。。
c
22
d
。v2 。。
:
22 22
2dc 2d 2dc c 。v cc 。v
÷
=×
=
22 22
c2 。v2 c2 。v2 c 。v 2dc 。v
因为每一个数被自己的平方根来除,得到的商是自己的平方
根,也就是说
x / x =x ,因此,
x / x =1/ x 。所以最后的式
子简化为:
c
c2 。v2
如果我们把分子和分母同时乘上
1/c2 (等于
1/c)的话,上
面的式子可以进一步简化为:
c 1/c2 c /c 1
222 2222 22
c 。v 1/cc /c 。v /c 1。v /c
这就好了。这就是平行于地球运动方向和垂直于地球运动方
向光束所需的时间比。对于任何比零大的
v值,1/ 。2/2
1 vc 都
大于
1。因此,如果地球正在穿越静止的以太,那么光束在地球运
动方向上所走的时间,要比在垂直方向上所走的时间长。事实上,
平行的运动需要时间最多,而垂直的运动需要时间最少。
迈克耳孙和莫雷准备以实验来测量光束在传播期间的方向差
异。他们使光束在各方向上被反射回来,同时以相当精确的干涉
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计测量返