精彩片段
第1 章 質點運動學
在開始研討經典力學時,很自然地應該先思考各種可能的運動樣式,而暫時不將任何造成運動的因素納入考量.這初步探尋的知識就是運動學的學術領域.
——埃德蒙•維特克
物理學是研究物質運動中最普遍、最基本運動形式的基本規律的一門學科,這些運動形式包括機械運動(mechanical motion)、分子熱運動(thermal motion)、電磁(electromagnet)運動、原子(atom)和原子核(nucleus)運動以及其他微觀粒子(microparticle)運動等.機械運動是這些運動中最簡單、最常見的運動形式,其基本形式有平動(translation motion)和轉動(rotary motion).物體在平動過程中,若物體內各點的位置沒有發生相對變化,那么各點所移動的路徑完全相同,可用物體上任一點的運動來代表整個物體的運動,從而可研究物體隨時間而改變的情況.在力學(mechanics)中,這部分內容稱為質點運動學(kinematics of particle).
Kinematics is a branch of classical mechanics devoted to the study of motion, but not the cause of the motion. As such it is concerned with the various types of motions.
Two classes of motion covered by kinematics are uniform motion and non-uniform motion. A body is said to be in uniform motion when it travels equal distances in equal intervals of time(
i. e. at a constant speed). For example, a body travels 5 km in1 hour and another 5 km in the next hour, and so on continuously. Uniform motion is closely associated with inertia as described in Newton’s first law of motion. However, most familiar types of motion would be non-uniform motion, as most bodies are constantly being acted upon by many different force simultaneously, as such they do not travel equal distances in equal intervals of time.
1.1 基本概念
Like all other sciences, physics is based on experimental observations and quantitative measurements. The main objective of physics is to find the limited number of fundamental laws that govern natural phenomena and to use the laws to develop theories that can predict the results of future experiments. The fundamental laws used in developing theories are expressed in the language of mathematics, the tool that provides a bridge between theory and experiment.
一些物理量(physical quantities)的數學關系式稱為物理定律(physical law).大多數物理量為導出量(derived quantities),即它們可以由少數基本量(basic quantities)的組合來表示.
力學中基本量有三個:長度(length)、質量(mass)和時間(time).
1960年,國際組織為基本物理量建立了一組標準,稱為SI(國際單位制,International System of Units),其中長度、質量和時間的單位分別為米(meter)、千克(kilogram)和秒(second).
1.1.1 長度
直到1960年,人們一直將保存在法國的鉑銥合金棒在0℃時兩條刻線間的距離定義為1米.1983年,1米定義為光在真空中1/299792458秒的時間間隔內運行路程的長度(The meter is the length of the path traveled by light in vacuum during a time interval of 1/299792458second).
…… …….
【課外知識】 國際單位制的長度單位“米”(meter, metre)起源于法國.1790年5月由法國科學家組成的特別委員會,建議以通過巴黎的地球子午線全長的四千萬分之一作為長度單位———米,1791年獲法國國會批準.為了制造出表征米的量值的基準器,在法國天文學家捷梁布爾和密伸的領導下,于1792—1799年,對法國敦克爾克至西班牙的巴塞羅那進行了測量.1799年根據測量結果制成一根3.5毫米×25毫米短形截面的鉑桿(platinum metrebar),把此桿兩端之間的距離定為1米,并交法國檔案局保管,所以也稱為“檔案米”.這就是最早的米定義.由于檔案米的變形情況嚴重,于是,1872年放棄了“檔案米”的米定義,而以鉑銥合金(90%的鉑和10%的銥)制造的米原器作為長度的單位.米原器是根據“檔案米”的長度制造的,當時共制出了31只,截面近似呈X形,把檔案米的長度以兩條寬度為6~8微米的刻線刻在尺子的凹槽(中性面)上(圖1.1).1889年在第一次國際計量大會上,把經國際計量局鑒定的第6號米原器(31只米原器中在0℃時最接近檔案米的長度的一只)選作國際米原器,并作為世界上最有權威的長度基準器保存在巴黎國際計量局的地下室中,其余的尺子作為副尺分發給與會各國.規定在周圍空氣溫度為0℃時,米原器兩端中間刻線之間的距離為1米.1927年第七屆國際計量大會又對米定義作了嚴格的規定,除溫度要求外,還提出了米原器須保存在1標準大氣壓下,并對其放置方法作出了具體規定.
但是使用米原器作為米的客觀標準也存在很多缺點,如材料變形,測量精度不高(只能達0.1μm),很難滿足計量學和其他精密測量的需要.另外,萬一米原器損壞,復制將無依據,特別是復制品很難保證與原器完全一致,給各國使用帶來了困難.因此,采用自然量值作為單位基準器的設想一直為人們所向往.20世紀50年代,隨著同位素光譜光源的發展, 發現了寬度很窄的氪—86同位素譜線,加上干涉技術的成功,人們終于找到了一種不易毀壞的自然標準,即以光波波長作為長度單位的自然基準.1960年第十一屆國際計量大會對米的定義作了如下更改:“米的長度等于氪—86原子的2P10和5d1能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1650763.73倍”.這一自然基準,性能穩定,沒有變形問題,容易復現,而且具有很高的復現精度.我國于1963年也建立了氪—86同位素長度基準.米的定義更改后,國際米原器仍按原規定保存在國際計量局.
隨著科學技術的進步,70年代以來,對時間和光速的測定,都達到了很高的精確度.因此,1983年10月在巴黎召開的第十七屆國際計量大會上又通過了米的新定義:“米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度”.這樣,基于光譜線波長的米的定義就被新的米定義所替代了.
