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以地球為參考系太陽的運動情況

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壹、力學的起源

(壹)力學的研究對象

力學是研究物體機械運動規律的壹門學科,所謂機械運動指的是物體位置隨時間的變化。例如天體的運行,大氣和河水的流動,各種交通工具的行駛,各種機械的運轉等等。機械運動是物質運動最簡單、最基本的初級運動形態,但各種復雜的、高級的運動形態無不 包含有這種最基本的運動形態。也就是說,關於這種最簡單的運動形態的理論是研究其他運動形態理論的基礎,是學習與物理相關的其他學科和近代工程技術的理論先導。

(二)中國古代的力學成就

中國是世界上最早進入農業時期的國家之壹。兩千多年前的春秋戰國(公元前772~公元前221年)時期,我國的農業生產已經相當發達,鐵制工具和簡單機械的使用已經相當普遍。如杠桿、滑車、輪軸、桔橰、轆轤等在魯國人墨翟為首的墨家的著述《墨經》中已有明確的記載。

考古中出土文物的研究,已經證實,我國春秋時代的齊國已經使用了不等臂秤,秤就是按照杠桿原理“力臂×權重=重臂×物重的公式計算物體質量的,《墨經》中有其力學的分析,因此完全可以肯定,當時中國已經發現了杠桿原理,而這壹發現比古希臘的阿基米德要早二百多年。

中國古籍中記載的力學知識極為豐富,除了關於力、力矩、杠桿原理、滾動摩擦、彈性定律外,還有相對性原理,相對運動、功和能的概念以及慣性和角動量守恒的應用等力學知識的論述。但遺憾的是終未形成系統性的力學理論。

(三)古希臘的力學成就

亞裏士多德(公元前384~公元前322年)和阿基米德(公元前287--公元前212年)是古希臘力學研究的代表。

亞裏士多德著名的論著《形而上學》《物理學》《論理學》《工具篇》等,被稱為古希臘思想史上的“百科全書”。其中有關的力學理論重要論點與對“運動原因”的探索,屬於動力學。他的著名論點是:物體下落的快慢與它的重量成正比。盡管這種論點現在看來是錯誤的,但它確實是古人憑直覺觀察大量的運動現象,通過推理方法得到的結論。阿基米德主要集中於靜力學研究,他詳細地討論了杠桿原理,在推證杠桿原理的過程中開辟了用數學方法研究物理學問題的先河,從而對數學、物理學的發展起到了很大的推動作用。

阿基米德的另壹重大貢獻是浮力定律。此外,他在為希羅王檢驗金制王冠是否摻銀時,得出了“比重”的概念。古希臘的力學研究內容非常豐富,但在研究方法上,還主要停留在對自然的直接觀察和簡單的抽象和推理,且常帶有猜測性。

(四)近代力學的開端

公元12世紀左右阿拉伯人把希臘文化和中國的四大發明傳人歐洲,在14、15世紀在地中海沿岸壹些城市湧現了資本主義的最初萌芽。商品貿易的繁榮,使得造船業、采礦業、火藥武器的生產等得到了很大發展。資本主義生產的發展要求科學提供相應的材料和儀器,從而極大地推動了科學的發展。

15世紀後期開始的文藝復興運動的思潮席卷歐洲,提倡人權,反對神權;提倡科學,反對神學。思想的解放,對實踐經驗的重視,成為了當時科學起飛的思想基礎和認識基礎。其中的代表達·芬奇不僅以其代表作《蒙娜麗莎》而享譽畫壇,而且他還是壹位科學家和發明家,他的配有插圖的科學筆記《萊斯特手抄本》中還提出了虹吸管、打樁機、泄洪閘門、用呼吸管在水下潛行的方法以及防洪大壩的構想,上述見解在500年後的今天都是完全符合科學原理的。

文藝復興運動以後,力學開始發展成壹門獨立的學科,由於生產技術的發展提供了試驗工具,因此觀察和實驗的科學方法也逐步建立起來。特別是在17世紀中葉,經過許多著名科學家,伽利略、笛卡兒、惠更斯,直至牛頓等人的卓越研究,運動學和動力學得以建立,從而為現代力學的發展奠定了紮實的基礎。

二、運動學基本原理

(壹)空間與時間的計量

物體是在時空中運動的,即物體運動的規律是指物體在空間的位置隨時間變化的規律性。因此,定量研究物體運動的規律,就必須對時間和空間進行計量,這就必須具有高度壹致性的計量標準。

長度的計量基準是米,國際上對長度基準米的定義做過了3次正式規定。1983年10月第十七屆國際計量大會通過:米是光在真空中1/299 792 458秒的時間間隔內運行路程的長度,這壹基準利用了愛因斯坦相對論中的光速不變性原理。

時間的計量基準開始用平均太陽日的l/86 400作為時間的基準單位,稱為壹秒。由於地球的自轉的速率在漸漸變慢,它不是壹個理想的時鐘。因此人們在1956年重新把秒定義為1900年回歸年(太陽年)的1/3l 556 925.974 7。1967年第十三屆國際計量大會規定1秒為銫原子的兩個超精細能級之間躍遷相對應的輻射周期的9192 631 770倍。這壹基準的精度達到了10-12至lO-13。