古往今來(lái)，哲學(xué)家用質(zhì)樸的文字描繪運(yùn)動(dòng)，藝術(shù)家用精妙的構(gòu)圖表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)健兒用舒展的肢體詮釋運(yùn)動(dòng)……不同的職業(yè)都在運(yùn)用不同的方式展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的魅力，但我們要如何科學(xué)地闡述“運(yùn)動(dòng)”呢？

在物理學(xué)中有這樣一個(gè)概念：“世界是物質(zhì)的，物質(zhì)是運(yùn)動(dòng)的，整個(gè)世界就是永恒運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)世界?！笨梢哉f(shuō)，世間萬(wàn)物都在以各種各樣的形式運(yùn)動(dòng)著。只是有些事物的運(yùn)動(dòng)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(jué)，但它們也留下了可以尋覓的痕跡，比如千萬(wàn)年來(lái)的地殼運(yùn)動(dòng)形成的山脈與海溝，地球的公轉(zhuǎn)帶來(lái)的四季輪替，還有隨著年齡增長(zhǎng)逐漸變緩的新陳代謝……

變化萬(wàn)千的運(yùn)動(dòng)世界，每日都為我們帶來(lái)新奇的體驗(yàn)，現(xiàn)在讓我們一起探究“運(yùn)動(dòng)”的秘密吧！

不停轉(zhuǎn)動(dòng)的地球

書(shū)本上的知識(shí)告訴我們，地球每時(shí)每刻都在進(jìn)行著自轉(zhuǎn)。

我們所能感受到的晝夜交替和時(shí)差，就與地球的自轉(zhuǎn)有關(guān)，這是地球的一種重要的運(yùn)動(dòng)形式。地球繞著自轉(zhuǎn)軸自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)的周期是1天，花費(fèi)時(shí)間是23時(shí)56分4秒。

既然地球自轉(zhuǎn)的速度這么快，為什么生活在地球上的我們感受不到，科學(xué)家又是如何證明地球在轉(zhuǎn)動(dòng)呢？

最有力的證明——傅科擺

1851年，法國(guó)物理學(xué)家傅科利用繩索、擺錘和沙盤(pán)做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)吳證明了地球的自轉(zhuǎn)，他將這套實(shí)驗(yàn)工具命名為“傅科擺”。

為了讓百年后的參觀者也能親身體驗(yàn)博科擺，中國(guó)科學(xué)技術(shù)館的運(yùn)動(dòng)之律展廳放置了一件經(jīng)過(guò)改良的展品——運(yùn)動(dòng)的世界，它由博科擺模型和傅科擺小實(shí)驗(yàn)（演示了傅科擺在南極、北極和赤道上的擺動(dòng)情況）組成。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：運(yùn)動(dòng)的世界

實(shí)驗(yàn)原理：不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響下，一般的單擺，在擺動(dòng)平面方向上沒(méi)有受到外力作用時(shí)，擺動(dòng)的空間方向是不會(huì)改變的。傅科擺的擺錘經(jīng)過(guò)沙盤(pán)上方的時(shí)候，每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的振蕩，在沙盤(pán)上畫(huà)出的軌跡卻會(huì)偏離原來(lái)的軌跡一定角度，擺動(dòng)平面沿順時(shí)針?lè)较蚓従徱苿?dòng)，擺動(dòng)方向的變化是由于地球自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明了地球的自轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在北半球時(shí)，擺動(dòng)平面順時(shí)針運(yùn)動(dòng)：在南半球時(shí)，擺動(dòng)平面逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。緯度越高，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，但在赤道上，傅科擺的擺動(dòng)方向沒(méi)有任何改變。

傅科——萬(wàn)人空巷的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

1514年，波蘭天文學(xué)家哥白尼經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)算，推翻了當(dāng)時(shí)的權(quán)威學(xué)說(shuō)“地心說(shuō)”，提出了地球自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的“日心說(shuō)”。

傅科根據(jù)哥白尼的理論，在自己家中的地下室進(jìn)行了第一次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)雖然成功了，但要讓擺動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的規(guī)律更加直觀，必須改善實(shí)驗(yàn)條件，這就需要更長(zhǎng)的擺線和更重的擺球。為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，巴黎天文臺(tái)的臺(tái)長(zhǎng)阿拉哥向傅科發(fā)出了邀請(qǐng)。于是在巴黎天文臺(tái)的子午線觀察室，傅科進(jìn)行了第二次實(shí)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)的效果非常好。

1851年，自信滿滿的傅科在巴黎萬(wàn)神殿的穹頂下進(jìn)行了一次公開(kāi)實(shí)驗(yàn)，吸引了成千上萬(wàn)名觀眾圍觀。此時(shí)，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(wàn)神殿的穹頂之上，擺長(zhǎng)67米。隨著單擺開(kāi)始擺動(dòng)，時(shí)間一分一秒地流逝，在場(chǎng)的觀眾目睹了單擺的擺尖在悄悄地移動(dòng)著。

有的人在擺動(dòng)開(kāi)始時(shí)，明明看到擺球運(yùn)動(dòng)至J自己眼前，可經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，擺球競(jìng)離自己越來(lái)越遠(yuǎn)，這就說(shuō)明，地球確實(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)，這名觀眾忍不住脫口而出：“我確實(shí)感覺(jué)到了自己腳底下的地球在轉(zhuǎn)動(dòng)！”

在此次公開(kāi)實(shí)驗(yàn)之后的幾個(gè)月，全世界數(shù)十個(gè)傅科擺動(dòng)了起來(lái)，這時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)傅科擺放置的位置不同，擺動(dòng)情況也不同。現(xiàn)如今，傅科擺幾乎成了世界上每一個(gè)科技博物館的標(biāo)配。

選對(duì)重要的參照物

現(xiàn)在，我們知道了科學(xué)家是如何證明地球自轉(zhuǎn)的，那為什么我們感受不到地球的自轉(zhuǎn)，也沒(méi)有眩暈的感覺(jué)呢？

要想回答這個(gè)問(wèn)題，必須要明確一個(gè)理念：在研究物體運(yùn)動(dòng)之前，要選定一個(gè)用來(lái)判斷物體是否運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被稱為“參照物”。參照物是很重要的，因?yàn)闆](méi)有參照物就沒(méi)有所謂的位置變化，參照物不同，物體的運(yùn)動(dòng)情況就不同。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)你乘坐火車飛馳在鐵路上時(shí)，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(shù)木為參照物，你便是運(yùn)動(dòng)的。

所以，當(dāng)所有的參照物都在隨地球自轉(zhuǎn)時(shí)，你自然感覺(jué)不到地球每天都在飛速地旋轉(zhuǎn)啦。

前進(jìn)與后退

離開(kāi)不停擺動(dòng)的傅科擺，映入眼簾的是一件迷你“小戰(zhàn)場(chǎng)”，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(huì)“砰”的一聲將小球射向墻面。

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：作用力與反作用力

實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)牛頓第三定律，相互作用的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果：大炮在小球發(fā)射的同時(shí)，炮身會(huì)向后運(yùn)動(dòng)，碰撞后面的指針，大炮對(duì)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(yīng)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(méi)有那么強(qiáng)，也許是因?yàn)樗^(guò)“顯而易見(jiàn)”了。

我們?nèi)粘Ｅ懿綍r(shí)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(huì)感到明顯的疼痛；離船上岸時(shí)，船會(huì)因?yàn)槟愕膭?dòng)作遠(yuǎn)離碼頭……這種現(xiàn)象都有牛頓第三定律的影子?，F(xiàn)在，已經(jīng)了解其內(nèi)涵的你，可以仔細(xì)觀察一下生活中還有哪些現(xiàn)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(guó)天文學(xué)家埃德蒙哈雷來(lái)到牛頓的居所，兩人相談甚歡，當(dāng)哈雷聊到自己最近在證明一個(gè)關(guān)于行星軌道的規(guī)律遇到難題時(shí)，牛頓把自己關(guān)于論證“萬(wàn)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(jiàn)。

哈雷接過(guò)文章，才發(fā)現(xiàn)困擾他的、司題，牛頓竟然早就解開(kāi)了，他如饑似渴地翻閱完，激動(dòng)地對(duì)牛頓說(shuō)：“這真是偉大的論證、偉大的著作！一定要盡快發(fā)表！”

牛頓聽(tīng)了好友的話，笑著點(diǎn)了點(diǎn)頭，待哈雷離開(kāi)后，卻沒(méi)有按好友的勸告聯(lián)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(xì)的實(shí)驗(yàn)中。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證和計(jì)算，牛頓終于在1687年將包含牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》發(fā)表于世。

事后有人問(wèn)牛頓：“你獲得成功的秘訣是什么？”牛頓回答說(shuō)：“假如我有一點(diǎn)微小成就的話，沒(méi)有其他秘訣，唯有勤奮和謙遜而已。”他又說(shuō)：“不論是早期的希臘哲學(xué)家亞里士多德、菲洛彭諾斯，還是近代的物理學(xué)家伽利略、笛卡爾，如果我能看得遠(yuǎn)些，也是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏希谒麄兊墓ぷ骰A(chǔ)上，才有今日的我?！?/p>

看看誰(shuí)跑得更快

來(lái)到河南省科學(xué)技術(shù)館的探索發(fā)現(xiàn)展區(qū)，工作人員會(huì)先詢問(wèn)參觀者一個(gè)問(wèn)題：“兩點(diǎn)之間，最快的路徑是什么？”相信大多數(shù)人都會(huì)脫口而出：“兩點(diǎn)之間線段最短?！钡聦?shí)真的如此嗎？也許這個(gè)由小球、軌道、計(jì)時(shí)器等組成的展品會(huì)打破你的認(rèn)知。

將兩個(gè)相同的小球分別放至兩條軌道的頂端，扳動(dòng)手柄，釋放小球，看看哪個(gè)小球會(huì)先到達(dá)終點(diǎn)呢？

實(shí)驗(yàn)檔案

實(shí)驗(yàn)名稱：哪個(gè)下落更快

實(shí)驗(yàn)原理：相較直線軌道，小球在通過(guò)較陡的曲線軌道時(shí)，由于重力加速度的存在，會(huì)獲得一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果：距離更遠(yuǎn)的曲線軌道的小球最先到達(dá)終點(diǎn)。

生活中的妙用

其實(shí)，在中國(guó)的許多古代建筑中都出現(xiàn)了這條曲線的身影。從側(cè)面仔細(xì)觀察古建筑的屋頂，構(gòu)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(shí)，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(hù)房屋，讓你不得不佩服古人的智慧。除此之外，現(xiàn)代生活中最受小朋友青睞的游樂(lè)設(shè)施，比如滑梯、過(guò)山車等項(xiàng)目，都會(huì)在軌道的初始階段設(shè)計(jì)一段最速降線，起到輔助加速的作用。

現(xiàn)在，如果再讓你去兒童樂(lè)園和別人比賽滑滑梯的時(shí)候，你就該知道是選擇平直的滑梯還是彎曲的滑梯了吧？