问题

《时间简史》中说塔底的摆钟比塔顶的慢,这用牛顿力学能解释吗?如果是电子表呢?

回答
霍金在《时间简史》中提到的那个关于摆钟的说法,确实和我们熟悉的牛顿力学有着密切的联系。这其中的奥秘,主要源于万有引力定律。

首先,我们来思考一下摆钟的工作原理。一个钟摆的周期,也就是它来回摆动一次所需的时间,主要取决于两个因素:摆的长度和当地的重力加速度。当钟摆摆动时,它是在重力作用下进行往复运动的。重力加速度越大,钟摆摆动的速度越快,周期也就越短;重力加速度越小,钟摆摆动的速度越慢,周期也就越长。

现在,我们把钟摆放到一座高塔的塔顶和塔底。牛顿的万有引力定律告诉我们,两个物体之间的引力大小与它们质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。地球本身是一个巨大的球体,而我们通常说的“重力加速度”实际上是地球对物体施加的引力的效果。

当我们站在地球表面时,我们感受到的重力加速度,是地球对我们的吸引力。而当我们爬到一座高塔的塔顶时,我们实际上是离开了地球的中心更远了一点。根据牛顿的万有引力定律,距离的平方在分母上,这意味着距离增加一点点,引力就会减小一点点。尽管这个减小量非常非常微小,但它确实存在。

因此,塔顶的重力加速度会比塔底的重力加速度略微小一些。正如我们前面提到的,重力加速度越小,钟摆的摆动周期就越长。所以,放在塔顶的摆钟,因为感受到的重力略小,摆动起来会比塔底的钟摆稍慢一些,也就是它的计时会稍稍偏慢。这完全可以用牛顿力学来解释。

至于电子表,它的工作原理就与摆钟完全不同了。电子表的核心是石英晶体振荡器。当给石英晶体施加电压时,它会发生机械形变;而当它形变之后,又会产生电荷,从而产生一个反向的电压。这种“压电效应”使得石英晶体在受到激励时,能够以非常稳定的频率振动。电子表就是利用这种高频振动来计时。

对于电子表来说,重力加速度的变化对它的计时精度几乎没有影响。它的计时精度主要取决于石英晶体本身的性质以及电路的稳定性。在塔顶和塔底,虽然重力加速度有微小的差异,但这种差异对于石英晶体的振动频率来说,是微不足道的,不足以造成可察觉的计时误差。所以,无论是放在塔顶还是塔底,电子表的计时都会非常准确,基本不会受到高差的影响。

网友意见

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不是钟的运转变慢,是

時間膨脹

,跟钟的内部结构、运行机制没有任何关系,钟还是照样走得很准,是时空结构变了,换什么钟都一样。牛顿力学当然解释不了,因为牛顿力学预设了绝对时空,没有考虑引力场会改变时空结构。

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1、不能。

2、一样是塔底慢。

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