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数学与钟摆

十六世纪的欧洲,工商贸易迅速发展,促进了航海事业的大发展

远洋航行的船只随时需要确定自己在茫茫大海中的位置,所以准确的时钟就成了必不可少的重要工具船只在海上的位置是由所在的纬度和经度来表示的自古以来,许多科学家根据日月星辰的情况,制作了许多观像仪,可以用来确定任何一点所在的纬度要想定出船只所在的经度,最好的办法是用所在地的时间和家乡港口的时间作比较

为什么这样可以确定经度呢?我们知道,地球一天二十四小时由西往东转动一周是 360°,就是一小时转动 15°,一分钟转动 0.25°.这样,要是知道了船只所在地的时间比家乡港口早了一小时四分,那船只就在家乡港口东 16°的经线上.

曾经有人用古观象仪得到过非常近似的当地时间但是要确定另一地点的时间,用两地的时间差来求出两地的经度差,却几乎是毫无办法

从哥伦布发现新大陆到麦哲伦绕地球以后的很长时期里,因为没有准确的时钟,所有的航海家都面临确定经度这个生死攸关的大事一旦经度和航向有了偏差,就可能引起人员的大量死亡和船只的沉没

古代使用过日规、滴漏、烛时计,以后是教堂里用的重力钟等这些计时工具显然已经过时了,人们要求的是能精确测量分和秒的计时工具

1583年,意大利科学家伽利略第一个发现了精确测量微小时间的线索.在比萨大教堂做弥撒的人群中,伽利略细心地观察来回摇摆的灯,他以脉搏的跳动计算摆动的时间,发现每一次摆动都用同样的时间

后来,伽利略用一个自制的滴水钟来检验这个观测的准确性摆在摆动时,他让水通过一个大水桶底部的小孔,流到下面的小杯内如果两次摆动流出的水的重量一样,那两次摆动用的时间就是一样的检验的结果是肯定的

实验还表明,摆动的时间只和摆的长度有关系要想使摆动时间加倍,必须让摆长扩大为四倍;要想使摆动时间加为三倍,摆长必须扩大为九倍,即摆长与摆动时间的平方成正比现在我们知道这个规律对于小角度的摆动才成立,当摆动弧度过大时就不大准确了 1657年,荷兰科学家惠更斯利用伽利略的发现,首先制出了精确的摆钟.

到了十八世纪中期,当航船配备了六分仪和经线仪之后,确定经度的问题才完全得到解决六分仪可以精确地提供当地时间;经线仪能时刻给出家乡时间最初的经线仪就是一个能在远洋航行中保持精确时间的钟,它是一个自学的英国木匠哈里森发明的

一个世纪以后,世界各国一致同意以格林威治时间为标准,定时计表,并且把通过伦敦格林威洽天文台的经线作为划分经度的起点,从此人们又有了统一的时间和经度了

生产和技术的发展推动着力学和天文学的前进,也推动着数学的前进那时候,欧洲普遍建立了科学院,空前丰富的名种科学成果,在那里得以汇集交流正是在这样的基础上,十七世纪后半叶,莱布尼茨在德国、牛顿在英国,几乎同时建立了微积分这一理论的产生,是数学史上具有重大意义的创造它对近代自然科学的进步,产生了革命化的影响