课题研究地震仪论文

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最近关于“张衡地动仪”真伪的讨论又在

网络上热起来。

张衡地动仪在历史上真的存在吗？它能预报地震还是监测地震呢？我们看到的张衡地动仪是真的还是假的？

实际上，每过一年半载的，类似的讨论总要在网络上“卷土重来”。支持者们从不同角度寻找历史依据，以求为“张衡地动仪”的历史正本清源——《后汉书》的记载被认为是铁证；反对者则坚信，地动仪是历史杜撰，经不起推敲。

张衡地动仪是真是假？

《后汉书 张衡传》记载：“尝一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。” 史书上的简短记载后来演变为流传甚广的故事——东汉时期，地震灾害频繁，太史令张衡通过一次又一次的试验探究，于公元132年创造了地动仪，成功监测到了包括陇西大地震在内的多次地震。

一千多年前，张衡是否有能力造出如此高科技的地动仪？检验地动仪神奇的“陇西地震”是否属实？一直以来，各方学者争议很大。

质疑者认为张衡地动仪在原理上根本就不可能实现，有的甚至认为它根本就不存在。这其中尤以奥地利人雷立柏最为尖锐，他曾撰写《张衡：宗教与科学》，认为中国人对张衡地动仪的情绪是一种宗教式的崇拜，在他看来，地动仪失传了，就说明它不科学、无实用性，没有不失传的道理。

但更多学者相信地动仪真的存在过，因为“如果明确记载的历史都不相信的话，一切历史都会变得虚无”。

中国科学院大学人文学院教师陈天嘉博士认为，张衡地动仪是存在的，而且具有地震监测的功能，但复原工作暂时还没能完成。

地动仪长啥样？你看到的那个是“假货”

大家关于张衡地动仪的直观印象大多来自于课本中一张形似酒樽，外侧有龙珠、蟾蜍的图片，实际上这个在历史教科书中和科技馆里频繁亮相的地动仪，只是20世纪50年代一位叫王振铎的老先生制作的复原模型。由于存在原理性错误，这个复原模型并不能真正进行地震监测。

“以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒樽，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱……”是《后汉书》中关于地动仪的全部描述。后世的所有研究都是建立在这段文字的基础上。多少年来，学界对于这段记载逐字逐句都进行深入分析，仅其中“都柱”的理解，就产生了 “立柱”“倒立摆”“悬垂摆”等多种。

陈天嘉表示，一直以来关于张衡地动仪的研究不少，复原工作也一直在做，但因为古文记载太简略，后人的复原工作面临很多挑战，人们对于地动仪的争论也很多。

复原工作进行中，100%复原无法实现

1800年前的地动仪什么样？不仅是我们好奇，我们的前辈也很好奇。从100多年前开始，对地动仪的研究和复原就开始了。

近代地震学奠基者、英国人米尔恩，曾经用立柱做过实验。但实验中立柱在受到轻微的震动后就会向四面乱倒，根本不能指示地动方向，后来他提出“悬垂摆理论”。1936年，燕京大学研究生院历史专业的学生王振铎画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿，并在1951年根据“直立杆”模型的工作原理进行推断，做出了张衡地动仪的展览模型，陈列在中国历史博物馆。这一模型广为流传，但其真实性和工作原理一直受国内外科学家质疑。

20世纪初，地球物理所研究员冯锐和他的课题组做了大量研究并做出复原模型，但学界对这一版本的模型同样存在质疑，认为其关键之处与原始文献记载不能密合。陈天嘉表示，100%还原难度比较大，目前确实没能实现完全的复原。

最近一些年，尽管民众对地动仪的关注热度不减，但学界对张衡地动仪的关注热度有所减弱。对许多网友期盼的“复原地震仪实现地震监测和预报”，学界并不看好。在陈天嘉看来，科学界对张衡地动仪的研究和复原，历史意义多过现实意义。

摘要：这个模型用小行星撞击地球来计算碰撞后所产生的影响，1．首先利用万有引力和高斯定理计算出小行星撞击地球的能量和进入大气层的速度分别为 ，近一步计算出陨石坑的直径不会超过为 ，深度为0.57~0.8 之间，并且可以使海平面上升3.8厘米。2．有10%的能量用来产生地震，相当与26亿吨的TNT使得南极洲附近产生8.0到8.5级的里氏地震，造成的人员伤亡数量大约为6万人，财产损失大约为5亿美元。关键字 碰撞 万有引力 高斯定理 能量 海平面 地震一 问题重述美国国家航空和航天局（NASA）从过去某个时间以来一直在考虑一颗大的小行星撞击地球会产生的后果。作为这种努力的组成部分，要求我们队来考虑这种撞击的后果，假如小行星撞击到了南极洲的话。人们关心的是撞到南极洲比撞到地球的其它地方可能会有很不同的后果。假设小行星的直径大约为1000米，还假设它正好在南极与南极洲大陆相撞，要求你们对这样一颗小行星的撞击提供评估。问题1. 关于这种撞击下可能的人类人员伤亡的数量和所在地区的估计问题2. 对南半球海洋的食物生产的破坏的估计，问题3. 对南极洲极地冰岩的大量融化造成的可能的沿海岸地区的洪水的估计。二 问题分析首先考虑到行星撞击地球产生的大部分能量用于开凿撞击坑，少部分能量用于冰川融化导致海平面上升，根据海平面上升高度，根据所查的沿海地区城市状况，估算出人员伤亡数量和所在地区的破坏情况。再考虑到行星撞击地球会产生地震，从而引发海啸。撞击所产生的温室效应会使得全球变暖，影响生态系统的平衡。三 模型假设1. 小行星的体积不发生变化，并前可以看做球体，在南极洲与地球相撞；2. 小行星的运动可以用万有引力计算，满足牛顿运动定理；3. 小行星的密度为典型小行星的密度；4. 南极洲的冰盖厚度是均匀的；四 符号说明五 模型的建立与求解5.1 撞击能量的计算小行星撞击的能量与小行星的性质有关系，小行星只受到地球，太阳和月球的万有引力，它在近地点做圆周运动，小行星脱离轨道运行的最小万有引力为 （1）由万有引力为保守力，利用功能原理和高斯定理有 （2）全部的能量都转化为小行星的势能 （3）由（1）（2）（3）式得，小行星进入大气层的速度为 根据资料可以得到典型小行星的密度为 ，由质量与密度的关系 （4）将小行星近似看做球体，得到小行星的质量为 ，计算得 .小行星进入大气层的最小速度为 。由能量守恒定理计算出了撞击产生的能量为 （5）得到撞击后所产生的能量为 5.2 计算陨石坑的大小陨石坑的大小跟行星的性质（主要是大小，质量 ，动能 ，）和被撞击地表的性质（岩石或土壤等）有复杂的关系。假设撞击的全部动能用于形成陨石坑，陨石坑的直径为 (km)与行星动能 大致有如下关系: （6）在实际过程中，在南极州产生撞击，初始撞击所产生的能量大部分都形成了陨石坑，而只有一小不部分的能量用于冰的融化。典型小行星撞击后的陨石坑的深度与直径的比为 或者 ，因此陨石坑的直径不会超过4 ，深度在 之间。5.3 冰的融化南极常年被冰雪覆盖，年平均气温为 ，冰盖平均厚度为2000米，因此小行星并没有撞击到南极岩石，在撞击过程中必然会释放出热量使得冰融化水，引起海平面的上升。冰的比热容是 ，利用比热容 （7） 为升高的温度。 计算质量为1千克的南极环境冰吸收热量转化为 的冰水混合物所吸收的热量为 ，而对与 的冰水混合物完全转化水所吸收的热量为335 远小于冰变为水所吸收的热量。因此融化掉的冰所吸收的能量用近似为冰升高50 所吸收的热量。对于撞击后大部分能量用来形成陨石坑，大约10%左右的热量用来融化冰，融化了冰的质量计算 （8）融化掉冰的质量为 ，全球的海水面积大约为 ，水的密度为 由质量守恒融化后的水的体积为 （9）这些水的体积为 ，可以造成海平面上升高度为 ，也就是3.8厘米。5.4 撞击所产生的地震由于撞击的能量巨大，所以必然会引发地震。1t的TNT爆炸所产生的能量为 ，对于 的热量相当与 的TNT，假设有10%的能量产生了地震，则相当于 ，可以产生8.0到8.5级的强烈的地震。由于小行星撞击在了南极大陆，那里人烟稀少，因此没有造成太大经济损失。造成大约6万人的死亡，经济损失大约为15亿美元。地震波的振幅 ，8.0级的地震振幅为100 .而地震引发海啸，若发生海啸，海啸的基本他征表现为传播波-浅水波。浅水波是指水深h相对波长λ很小时（一般取h<1/20λ)的波动，又称长波。传播速度与波长无关，仅决定于水深。阳与月亮引起的潮波，其波长可达2万公里，但海洋的平均深度仅4公里，因此潮波显然是长波。浅水波中波浪水质点运动的轨迹是椭圆形，近海底处呈直线形，其短轴随深度减小，到海底时为零；而长轴自海面至海底几乎完全相同。所以，其水底附近的水质点运动和水面一样，依然明显，能够影响到海底。 六 模型评价缺点：在计算撞击能量的时候，对小行星进入大气层后所燃烧掉的部分没有考虑，并且对于撞击的角度没有得出。优点：本文得出了小行星的撞击能量，并且预测出海平面上升的高度，以及所引发的地震和大概的人员伤亡和经济损失。七 参考文献[1]陈颖聪，田杨萌.大学物理.华东师范大学出版社.[2]姜启源.数学模型(第三版).高等教育出版社附录下表列出的是不同级别的地震释放的能量相当于的TNT当量： 里氏震级 大致相应的TNT当量 实例 -1.5 6磅 手榴弹爆炸 1.0 30磅 建筑爆破 1.5 320磅 二战期间常规炸弹 2.0 1吨 二战期间常规炸弹 2.5 4.6吨 二战期间的"Cookie" 巨型炸弹 3.0 29吨 2003年大型燃料空气炸弹（MOAB） 3.5 73吨 1957年前苏联车里雅宾斯克核事故 4.0 1千吨 小型原子弹 4.5 5.1千吨 常见的龙卷风 5.0 32千吨 投放在日本长崎的原子弹 5.5 80千吨 1992年美国内达华Little Skull Mtn.地震 6.0 10万吨 1994年美国内达华Double Spring Flat地震 6.5 50万吨 1994年Northridge地震 7.0 320万吨 目前最大型的原子弹 7.5 1600万吨 1992年美国加利福尼亚Landers地震 8.0 10亿吨 1906年美国加利福尼亚旧金山地震 8.5 50亿吨 1964年美国阿拉斯加安克雷奇耶稣受难日地震 9.0 320亿吨 2004年印度洋大地震 10.0 1万亿吨 美国加利福尼亚圣安德烈斯断层挤压地面需要说明的是，地震波传递的能量并不是地震释放出的所有能量，正如如同最强的一阵风并不是整个风暴全部能量一样。 怎样直观判断地震大概震级？ 一般来说，我们把地震按强烈程度分为超微震、弱震、有感地震、中强震、强震和大地震六类。 超微震：一般将小于1级的地震称为超微震，人们察觉不到。 弱震：大于、等于1级，小于3级的称为弱震或微震。如果震源不是很浅，这种地震人们一般也不易觉察，只有地震监测机构的地震仪上才能记录下来。 有感地震：大于、等于3级，小于4.5级的称为有感地震。这种地震人们能够感觉到，但一般不会造成破坏。 中强震：大于、等于4.5级，小于6级的称为中强震。中强震是可造成破坏的地震。 强震：大于、等于6级，小于7级的称为强震，是可造成较大破坏的地震。 大地震：大于、等于7级的地震，其中8级以及8级以上的称为巨大地震，会造成严重的破坏。什么是里氏震级？ 里氏震级是由美国的查尔斯•弗兰西斯•里克特（Charles Francis Richter）和本诺•古登堡（Beno Gutenberg）在1935年提出的一种震级标度，以发生地震时产生的水平位移作为判断标准。也就是说，在三种地震波（纵波，横波，面波）中，对地表破坏性最大的面波作为主要判断依据。在里氏震级的定义中，对一个100公里外发生的地震，如果伍德-安德森地震仪记录到地震波的最大振幅为1厘米，则震级为4。 里氏震级是怎样划分的？ 根据里氏震级的定义，在震中100公里外，地震仪监测到最大振幅为1微米（千分之一毫米）的地震波，地震便是0级；10微米的地震是1级地震，1毫米的地震就是3级地震。以此类推，里氏震级每上升1级，地震仪记录的地震波振幅增大10倍。 里克特为了让震级更具有通用性，尝试使用地震释放出的能量而不是振幅来修订震级的定义——毕竟人们希望用更为直观的概念来描述地震的强度，而地震能量意味着地震造成的损失。

1.2 连杆机构的历史回顾和发展趋势在各种机构型式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和多种多样的特性。仅就平面连杆机构而言，即使其连杆件数被限制在很少的情况下，大量的各种可能的结构型式在今天仍难以估计。它们的特性在每一方面是多种多样的，以致只能将其视为最一般形式的机械系统。在古代和中世纪许多实际应用方面的发明中就有连杆机构，例如我国东汉时期张衡发明的地震仪、列奥纳多•达•芬奇所描述的椭圆车削装置等，在这些发明中，都巧妙地应用了平面连杆机构。在近代，随着工业越来越高度自动化，在大量的自动化生产线上，许许多多的连杆机构得到了应用。特别是机器人学成为目前一个前沿学科，连杆机构又有了新的应用，例如日本等国家开发的类人型机器人等。在仿生学上，连杆机构巧妙地实现了人类关节的功能，例如国外研制的六杆假肢膝关节机构。当今，工业生产自动化程度越来越高，连杆机构以及它与其它类型的机构组成的组合机构将得到更加广泛的应用，特别是形状丰富多样的连杆曲线将应用在更多的场合中。1.3 课题的主要内容与意义连杆机构的最基本形式是平面四杆机构，它是其它连杆机构的基础。所以，对平面四杆机构进行研究可以概括连杆机构内在的基本原理，从而用以连杆机构的设计。机构运动学综合是按照给定的运动特性对机构进行系统的设计的过程，包括型综合和尺度综合两大主要内容，主要综合方法有解析法、作图法和实验法。作图法和实验法工作量大，设计精度低，仅适用于对机构精度要求不高的场合。近几十年来，随着工业技术的高速发展，人们对机构的复杂程度和精度要求越来越高，作图法和实验法已不能满足要求，而基于计算机辅助设计（CAD）的解析法得到了广泛的应用。本课题的主要内容是平面四杆机构的连杆曲线及轨迹综合，其意义在于：一、深入研究计算机在设计和仿真连杆机构连杆曲线方面的应用，从而指导实践；二、总结出四杆机构轨迹综合的理论基础，从而指导多杆或复杂的低副平面机构的综合。此课题的主要目标是系统地对平面四杆机构连杆曲线进行研究，从而来获得连杆机构基本的原理和综合方法，以便在实际中得到应用；主要特色是在各个设计进度中将会大量应用计算机高级语言编程来辅助设计和仿真平面四杆机构。