單元陸:時 

一、時間的意義和計時工具

()時間的概念:

1.時間的概念來自事物的變遷,人類最初以「過去」、「未來」描述已經發生和尚未發生的事情,但不能精確地描述事物經歷的久暫。

2.人類先有了空間的概念然後逐漸產生了時間的概念。宇宙除了三度立體空間之外,尚有第四度空間,亦即要描述物體的正確位置,除了描述物體所在的三度空間位置之外,還需加上它存在此一位置的時間。

3.例如,有一位同學就讀國中三年一班,他所在的位置應該如何描述呢?正確的說法應該是:民國九十六年二月六日08:0017:00此學生位在三年一班教室,若不加上時間的描述,就可能在三年一班這個空間位置找不到這位同學了。

4.我們現在有精確的計時工具和計時方法可供使用,但時間的測量原本並不簡單,在物理學上的三個基本量:長度、質量和時間的測量工具發展上,時間的概念是較晚發展成型的。

5.計時工具應具有哪些特性,時間的單位又是如何制定出來的呢?長度、質量都有其標準單位,而時間是否也標準單位呢?這些問題的解答都會在本單元中一一詳述。

()計時工具和時間的單位:

1.早期的計時工具:如日晷、沙漏、單擺等,以及較進步的計時工具:如石英錶、電子鐘、原子鐘等,它們都有一個特性,就是利用某一事物的規律變化,且能週而復始的不斷循環的特性,用以做為計時的工具。

2.例如:地球因自轉而有日出日落的規律現象,此一現象具有週而復始的循環特性,因此可用以制定為計時的依據。

3.凡具有規律性等時性)或週期性者皆可用來做為計時的工具。

4.時間是三個基本物理量之一(基本物理量:長度質量時間)。

5.時間的標準單位:,目前「秒」是以銫的原子鐘為標準,目前最準確的計時工具是銫的原子鐘

 

二、標準單位「秒」的制定

1.現行的時間標準單位「秒」是以銫原子鐘的一秒為標準,由於非常準確幾乎沒有誤差,故成為時間的標準單位的依據。

2.時間的標準單位是:,依科學的演進其制定的方法亦有所不同。

3.在銫原子鐘尚未發明以前,時間的標準單位:「秒」是以一個平均太陽日加以做為劃分為八萬六千四百個等分,便制定成「秒」的依據。

(1)太陽日:自太陽位在天空子午線時算起至次日回到天頂子午線所經歷的時間,稱為一個太陽日(約等於地球自轉一週所需的時間)。

(2)平均太陽日:一年當中太陽日的平均值。因為地球自轉並非等速率,地球在近日點時(即北半球的冬季)自轉較快,在遠日點時(即北半球的夏季)自轉較慢,所以在一年當中太陽日有長有短,並非一定值(如圖一)所示。20080731215443687.png

(3)一個平均太陽日分為86400等分,則每一等分即為1,亦即
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(4)雖然此種制定方法較為繁複,且誤差較大,但確是在二次世界大戰前最準確的方法,直到銫的原子鐘發明後為止。

 

三、  單 擺

()最簡單的計時工具

1.單擺的振動:(如圖一),以細線繫一重物,稱為擺錘,將擺錘拉向一側後放手任其小角度的自由擺動。因為單擺的振動有等時性和週期性,故可做為計時的工具,因為裝置簡單,故稱為:單擺。

2.週期(振動一次所需時間):單擺來回振動一次會經過四個振幅, 所謂振動一次,就是振動一個週期,(其路徑為:A→O→B→O→A)。

3.週期的單位:/

4.頻率:單位時間內振動的次數,單位:/赫茲(Hz)

5.週期與頻率互為倒數
例:來回振動一次需時2秒的單擺,其週期2秒,而其頻率為週期的倒數:頻率等於0.5Hz0.5赫茲,(即每1秒內可振動0.5次)。

6.單擺振動的週期只與擺線長有關,與擺角、擺錘質量等無關。

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8.單擺振動週期與擺線長的平方根成正比─補充教材。
例:若擺線長=4㎝的單擺振動週期為1秒,則擺線長=16㎝的單擺其振動週期為2秒。

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9.以單擺作為計時工具是伽利略發現的,靈感來自於教堂的吊燈,他發現吊燈來回擺動一次所需的時間幾乎相等的等時性,加以改良並用以做為計時的工具,即:鐘擺,是當時最準確的計時工具。

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