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八卦一下:为什么地表重力加速度≈圆周率的平方

八卦一下:为什么地表重力加速度≈圆周率的平方

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这些年写到过不少和学科教育有关的文章,不过大部分跟网上常见的刷题技巧之类文章不太一样,更像是“八卦趣闻”,也经常被留言吐槽“这有什么用”。
如果和教辅考题之类的内容相比,这些文章似乎的确“没什么用”。但回顾我自己曾经的学习经历,从小学直到现在,我最大的感悟之一就是:对于学习来说,有趣要比有用更有用。因为兴趣可以为学习提供动力,如果没有兴趣,那学习可能是世界上最苦闷的事情之一了。
而之所以我写过的相关文章大多是语文等文科内容,不仅仅是理科生往往更喜欢文科的通病,而是因为我个人总觉得,相比于理科,国内文科教育的问题更多些,更追求死记硬背或者“中心思想”,总在教知其然,而不去讲背后的所以然。比如纠结某个古诗的字的读音,而不去教更应该学的平仄规律。死记笔顺,却很少讲笔顺和书法的关系。
理科教学中相对好一点点,毕竟更看重逻辑和论证。但同样的,我们如果用更有趣的方法去讲解理科知识,就可以起到加深印象,引发孩子的兴趣的效果,事半功倍。就比如我今天在文章中提到的这个问题 —— 为什么地球表面的重力加速度约等于圆周率的平方?
可能很多人听到这个问题会觉得:疯了吧。
圆周率是数学问题,是圆周长和直径的比例,一个无理数,一个死记硬背下来就能上综艺节目被人崇拜的神奇数字,可以说是亘古不变,放之宇宙皆准的。
而重力加速度是个物理概念,根据万有引力公式,地球表面的重力加速度的数值是取决于地球的质量和半径。也就是说如果地球再重点轻点,大点小点,g都会发生变化。

因此虽然g和π2都是9.8左右,但看上去那这两个数字也没什么关系啊,似乎只是碰巧而已,毕竟那么多数,随便加加减减乘乘除除,总能找到几乎相等的,就像玩24点一样。


可是,事情真是如此吗?


既然我专门写了今天的文章。g和π之间,自然不是简单的恰好赶上平方数这么简单的巧合而已。
因为,在我们的中学物理教材中,的确有一个公式,是将g和π放在一起的。那就是机械振动那章力,讲单摆运动时候,提到的“单摆周期公式”。
16世纪晚期,伽利略发现了单摆的周期只和绳子的长度有关,而和摆锤的重量无关;而后,17世纪中期,惠更斯则推导出来上面的单摆周期公式,并且通过单摆周期公式,他还给出了如何用单摆计算重力加速度
其中L是单摆的长度,T是单摆一个周期的时间。我们都记得,固定摆长的单摆,摆动周期是一定的,那我们只要找到一个摆,让它的周期T是2秒(这被叫做秒摆,也就是每隔1秒经过一次中点),那上面的公式就可以简化:只要测量一下秒摆的摆长,再乘以π2,就能简单算出重力加速度了
那秒摆的长度是多少呢?
很有趣,恰好就约等于1米。所以g就恰好约等于π的平方。

而这也不是巧合,因为这就是“米”这个单位,最早的起源了。

我们现在使用的“米”这个长度的定义,是1983年更新的,“1米=光在真空中于1/299,792,458秒的时间内所经过的路线的长度”。而最早的第一届国际计量大会在1889年批准的定义,则是根据国际计量委员会所制作并筛选出的一个X型金属米原器上两个刻线之间的距离。

《长度基本单位“米”的定义及其沿革──纪念“米”定义公布100周年》,《物理》,1989,11

但米的历史,则要更久远,再早90年,在1799年,法国科学家测量并规范的“米”,是以经过巴黎的子午线的1/4000万来作为米的定义。这也是我们经常在各种科普书上看到的内容。

不过这并不是米的最早出现,时间还要再提前100多年,在17世纪,一些法国科学家就测量出了秒摆的长度并希望用这个作为长度单位。当时他们认为各地的重力加速度一样,因此只要在各地制作出秒摆,就能让全世界准确使用同一种长度单位了。

于是在1675年,意大利科学家提托·李维欧·布拉提尼提出了一个叫做“metro cattolico”的单位,直译过来就是“通用测量单位”,并用秒摆的长度来定义这个后来被叫做“meter/metre”的单位,也就是m(米

但后来人们逐渐发现世界各地的重力加速度并不相同,因此各地的秒摆长度也有些许差异。而随着科学的进步,以及测量精度的要求不断提高,于是开始追求精度更高的定义方法,开始去测量子午线。从秒摆到子午线长度,从米原器到光谱再到光速,未来一定还会有更新、更精准的定义。



所以,g≈π2,这并不是什么巧合,而是人为设定而成的。背后的原因,就是在几百年前,当时的科学家利用重力,来规范定义我们现在最熟悉,最基础的物理单位 —— “米”。
这件事情在人类的历史上,是非常重要的时刻,因为在这之前,无论东方还是西方,我们对于长度单位的定义,基本都是根据一些粗糙善变的标准。比如英国的foot是一只脚,古埃及的腕尺是手肘到指尖,我们的寸呢,则是从手腕到寸口的距离。

相比于年、日这样由客观规律而自然形成的时间单位,长度单位的发展则要坎坷得多 —— 人类历史上不同国家地区之间,甚至一个民族不同时期所使用的长度单位都千变万化。同样一个“尺”,在中国不同朝代就有很大的差异。

而从秒摆长度而来的“米”,是人类开始用客观物理规律来定义基本长度单位。之后,从米又扩展出来基于客观规律的容积、重量等等其他单位。米的地位如此重要,以至于国际单位制,在很长时间内都被叫做“米制”。

当然,它也让重力加速度几乎等于圆周率的平方。

好吧,这些知(八)识(卦)虽然可以让我们更好地理解长度单位,理解单摆公式,但肯定没有刷题那么“有用。但我希望,这样的内容,或许可以让我们的大朋友和小朋友们,对似乎很枯燥的理科知识,能多那么一点点兴趣

毕竟几十年前,我就是因为在书上读了不少有趣的数学历史八卦,开始了自己的奥数征程。

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