運動的世界

古往今來，哲學家用質樸的文字描繪運動，藝術家用精妙的構圖表現運動，運動健兒用舒展的肢體詮釋運動……不同的職業(yè)都在運用不同的方式展現運動的魅力，但我們要如何科學地闡述“運動”呢？

在物理學中有這樣一個概念：“世界是物質的，物質是運動的，整個世界就是永恒運動著的物質世界。”可以說，世間萬物都在以各種各樣的形式運動著。只是有些事物的運動是我們可以直觀感受到的，比如奮力奔跑的小狗、川流不息的汽車、劃破夜空的流星等；還有一些事物變化是緩慢的，我們難以察覺，但它們也留下了可以尋覓的痕跡，比如千萬年來的地殼運動形成的山脈與海溝，地球的公轉帶來的四季輪替，還有隨著年齡增長逐漸變緩的新陳代謝……

變化萬千的運動世界，每日都為我們帶來新奇的體驗，現在讓我們一起探究“運動”的秘密吧！

不停轉動的地球

書本上的知識告訴我們，地球每時每刻都在進行著自轉。

我們所能感受到的晝夜交替和時差，就與地球的自轉有關，這是地球的一種重要的運動形式。地球繞著自轉軸自西向東轉動，自轉的周期是1天，花費時間是23時56分4秒。

既然地球自轉的速度這么快，為什么生活在地球上的我們感受不到，科學家又是如何證明地球在轉動呢？

最有力的證明——傅科擺

1851年，法國物理學家傅科利用繩索、擺錘和沙盤做了一項實驗，實驗結吳證明了地球的自轉，他將這套實驗工具命名為“傅科擺”。

為了讓百年后的參觀者也能親身體驗博科擺，中國科學技術館的運動之律展廳放置了一件經過改良的展品——運動的世界，它由博科擺模型和傅科擺小實驗（演示了傅科擺在南極、北極和赤道上的擺動情況）組成。

實驗檔案

實驗名稱：運動的世界

實驗原理：不考慮地球自轉的影響下，一般的單擺，在擺動平面方向上沒有受到外力作用時，擺動的空間方向是不會改變的。傅科擺的擺錘經過沙盤上方的時候，每經過一個周期的振蕩，在沙盤上畫出的軌跡卻會偏離原來的軌跡一定角度，擺動平面沿順時針方向緩緩移動，擺動方向的變化是由于地球自西向東轉動，實驗證明了地球的自轉。

實驗結果：在北半球時，擺動平面順時針運動：在南半球時，擺動平面逆時針運動。緯度越高，轉動速度越快，但在赤道上，傅科擺的擺動方向沒有任何改變。

傅科——萬人空巷的實驗現場

1514年，波蘭天文學家哥白尼經過長時間的測算，推翻了當時的權威學說“地心說”，提出了地球自轉的同時圍繞太陽公轉的“日心說”。

傅科根據哥白尼的理論，在自己家中的地下室進行了第一次驗證實驗，實驗雖然成功了，但要讓擺動平面旋轉的規(guī)律更加直觀，必須改善實驗條件，這就需要更長的擺線和更重的擺球。為了提高實驗數據的精度，巴黎天文臺的臺長阿拉哥向傅科發(fā)出了邀請。于是在巴黎天文臺的子午線觀察室，傅科進行了第二次實驗，這次實驗的效果非常好。

1851年，自信滿滿的傅科在巴黎萬神殿的穹頂下進行了一次公開實驗，吸引了成千上萬名觀眾圍觀。此時，傅科選用了直徑30厘米、重28千克的擺錘，并將它懸掛在巴黎萬神殿的穹頂之上，擺長67米。隨著單擺開始擺動，時間一分一秒地流逝，在場的觀眾目睹了單擺的擺尖在悄悄地移動著。

有的人在擺動開始時，明明看到擺球運動至J自己眼前，可經過一段時間之后，擺球競離自己越來越遠，這就說明，地球確實在轉動，這名觀眾忍不住脫口而出：“我確實感覺到了自己腳底下的地球在轉動！”

在此次公開實驗之后的幾個月，全世界數十個傅科擺動了起來，這時，科學家發(fā)現傅科擺放置的位置不同，擺動情況也不同?，F如今，傅科擺幾乎成了世界上每一個科技博物館的標配。

選對重要的參照物

現在，我們知道了科學家是如何證明地球自轉的，那為什么我們感受不到地球的自轉，也沒有眩暈的感覺呢？

要想回答這個問題，必須要明確一個理念：在研究物體運動之前，要選定一個用來判斷物體是否運動的標準，這個標準被稱為“參照物”。參照物是很重要的，因為沒有參照物就沒有所謂的位置變化，參照物不同，物體的運動情況就不同。舉個簡單的例子，當你乘坐火車飛馳在鐵路上時，如果以火車為參照物，那么你就是靜止的；但如果以路旁的村莊和樹木為參照物，你便是運動的。

所以，當所有的參照物都在隨地球自轉時，你自然感覺不到地球每天都在飛速地旋轉啦。

前進與后退

離開不停擺動的傅科擺，映入眼簾的是一件迷你“小戰(zhàn)場”，在透明的玻璃展柜中，有格外吸睛的金色大炮和巨大指針。

參觀者將小球放入軌道傳送至炮筒之中，選擇好發(fā)射的力度，大炮會“砰”的一聲將小球射向墻面。

實驗檔案

實驗名稱：作用力與反作用力

實驗原理：根據牛頓第三定律，相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

實驗結果：大炮在小球發(fā)射的同時，炮身會向后運動，碰撞后面的指針，大炮對小球施加作用力，小球也向大炮施加反作用力，作用力和反作用力相等。選擇發(fā)射的力量不同，指針的擺幅也就不同，指針擺幅大小顯示的就是炮身所受的反作用力大小。

應用廣泛的牛頓第三定律

與另外兩大定律相比，牛頓第三定律的存在感可能沒有那么強，也許是因為它太過“顯而易見”了。

我們日常跑步時腳掌用力向后蹬，身體就能向前跑；伸出巴掌用力拍手，雙手會感到明顯的疼痛；離船上岸時，船會因為你的動作遠離碼頭……這種現象都有牛頓第三定律的影子?，F在，已經了解其內涵的你，可以仔細觀察一下生活中還有哪些現象利用了牛頓第三定律。

牛頓——站在巨人的肩膀上

1684年的冬季，英國天文學家埃德蒙哈雷來到牛頓的居所，兩人相談甚歡，當哈雷聊到自己最近在證明一個關于行星軌道的規(guī)律遇到難題時，牛頓把自己關于論證“萬有引力”的文章拿給哈雷看，希望能給哈雷提供新的思路，也順便讓他提提意見。

哈雷接過文章，才發(fā)現困擾他的、司題，牛頓竟然早就解開了，他如饑似渴地翻閱完，激動地對牛頓說：“這真是偉大的論證、偉大的著作！一定要盡快發(fā)表！”

牛頓聽了好友的話，笑著點了點頭，待哈雷離開后，卻沒有按好友的勸告聯系出版社商談發(fā)表事宜，反而更加孜孜不倦地投入到了精細的實驗中。經過長時間的驗證和計算，牛頓終于在1687年將包含牛頓三大運動定律的著作《自然哲學的數學原理》發(fā)表于世。

事后有人問牛頓：“你獲得成功的秘訣是什么？”牛頓回答說：“假如我有一點微小成就的話，沒有其他秘訣，唯有勤奮和謙遜而已?！彼终f：“不論是早期的希臘哲學家亞里士多德、菲洛彭諾斯，還是近代的物理學家伽利略、笛卡爾，如果我能看得遠些，也是因為我正站在巨人的肩膀上，在他們的工作基礎上，才有今日的我?！?/p>

看看誰跑得更快

來到河南省科學技術館的探索發(fā)現展區(qū)，工作人員會先詢問參觀者一個問題：“兩點之間，最快的路徑是什么？”相信大多數人都會脫口而出：“兩點之間線段最短。”但事實真的如此嗎？也許這個由小球、軌道、計時器等組成的展品會打破你的認知。

將兩個相同的小球分別放至兩條軌道的頂端，扳動手柄，釋放小球，看看哪個小球會先到達終點呢？

實驗檔案

實驗名稱：哪個下落更快

實驗原理：相較直線軌道，小球在通過較陡的曲線軌道時，由于重力加速度的存在，會獲得一個較大的速度走完余下的曲線，這條曲線被稱為“最速曲線”。最速降線是速度和路徑的最優(yōu)組合。

實驗結果：距離更遠的曲線軌道的小球最先到達終點。

生活中的妙用

其實，在中國的許多古代建筑中都出現了這條曲線的身影。從側面仔細觀察古建筑的屋頂，構成三角形兩邊的屋脊往往不是筆直的線段，而是帶有弧度的曲線。古人將最速降線安置在房頂上，在傾盆大雨天時，就可以讓滴落在屋頂上的雨水以最快的速度流走，從而保護房屋，讓你不得不佩服古人的智慧。除此之外，現代生活中最受小朋友青睞的游樂設施，比如滑梯、過山車等項目，都會在軌道的初始階段設計一段最速降線，起到輔助加速的作用。

現在，如果再讓你去兒童樂園和別人比賽滑滑梯的時候，你就該知道是選擇平直的滑梯還是彎曲的滑梯了吧？