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鐘面上秒針走一大格是多少秒

生活 更新时间:2024-08-25 05:13:42

鐘面上秒針走一大格是多少秒(如果一個時鐘的秒針特别特别長)1

我們都知道 線速度=角速度×半徑 的公式,那麼如果這樣來推理隻要半徑夠大,那麼乘以固定的角速度,線速度肯定可以超光速。

雖然在你的印象中,秒針靠近中心位置和末端位置始終同步運動,但那隻是你的錯覺,因為秒針太短了,以至于你無法發現它們運動過程的不同步。

假設有這樣一根足夠長的秒針(先不考慮是否有足夠的能量帶動秒針運動的問題),當靠近中心的位置被齒輪帶動時,這個形變是慢慢傳遞到秒針尖端的。這個傳遞過程到底有多慢呢?它的傳遞速度恰好等于聲音在秒針中的傳導速度,沒錯,就是聲速。相比起光速,聲速簡直低到不值一提……

所以這樣的實驗結果,就是秒針最後變成了螺旋線……

有的同學可能會說,如果秒針是剛體呢?要注意的是,剛體隻是我們為了簡化某些物理問題的假設,實際上剛體并不存在。有些問題把物體簡化為剛體,并不會對問題結論産生影響,也不會産生物理定律的矛盾,我們自然是樂于這樣做的;但有些問題,你把物體簡化為剛體,就産生了物理定律之間的矛盾,那就隻能證明這種簡化在此類問題中不适用。

不過作為一個學光學的,我經常遇到的另一個與此很類似的問題,那就是将這個題目中的“秒針”換成激光筆,當我們把激光筆劃過天空,遙遠的距離上,激光筆的光斑的移動速度豈不是超光速了?

鐘面上秒針走一大格是多少秒(如果一個時鐘的秒針特别特别長)2

其實看起來這和秒針那個本質上沒有什麼不同,激光筆光束的傳播速度也同樣是有限的,隻是傳播速度是光速,比聲速快得多罷了,所以甩出的仍然是一條螺旋線……

但和秒針這個問題不一樣的是,由于光子和光子之間是獨立的,所以結論也會不同。

關于“是否可以超光速”的問題,物理學上有一個概念叫做“相速度”,物理知識豐厚的同學一下子就知道我要說啥了,但沒接觸過這方面的同學要理解這個概念還不是很容易。

舉個例子來說,假如下圖是海浪一波波地沖擊沙灘,海浪和沙灘接觸位置(綠點)的運動速度是完全可以超越海浪本身速度的,海浪換成光波的話,就是可以超光速的。這個速度就是“相速度”。相速度超光速并不違背任何的物理定律,因為其中沒有信息或能量的傳遞。

鐘面上秒針走一大格是多少秒(如果一個時鐘的秒針特别特别長)3

不過激光筆光斑這個和相速度還真是沒啥關系,因為這中間并不涉及嚴格物理學意義上的“運動”。具體到此問題中激光筆劃過天空的情景,可以設想這樣一個例子:

比如在天空中有很多很多星星,假如這些星星非常巧合的(别管為啥總之就是湊巧了)一個個排隊交替閃爍,那麼這個過程是可以視作“閃光點”在高速運動的,隻要這些星星足夠遠,就可以實現“超光速”,激光筆掃過天空時,“光斑”的運動就是類似于這些星星依次點亮的過程。

舉一個極限的情況吧。

假如我将激光筆首先向左照一下,然後迅速将激光筆旋轉 180°,向右照了一下,這個過程花費了 1 秒。經過一年後,假如在左側一光年外的某個天體上形成了激光筆的光斑,那麼一秒後,在右側一光年外的某個天體上也形成了一個光斑。如果将光斑視作“運動”的話,那相當于一秒鐘跨越了兩光年的距離,這顯然是超光速了。但這種超光速是沒啥具體意義的。


有小夥伴問為啥秒針中形變的傳播速度是聲速,因為形變的傳遞過程和聲音在介質内傳遞的過程本質是一樣的, 都是一個位置的“變形”引起力的作用,然後傳導到臨近的位置,引起“變形”,所以傳遞速度就是機械波的速度。不過要注意的是,這裡的“聲速”是指秒針這類材料的聲速,而不是空氣中的聲速。固體中聲速要比空氣中快不少,但相比光速,還是不值一提。

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