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地球真的在自转——傅科和傅科摆

2015-01-25  闲之寻味
摘要:“傅科摆直观展示了地球的自转现象。最早发明这种方法的人是法国著名物理学家让·博纳·雷昂·傅科。160多年前,他用一种简单的类似钟摆的器械,实现了整个测量过程。”
正文


 

傅科摆

■本报记者 韩天琪

每当我们走进北京天文馆老馆的大厅,或是在中国科学技术馆,都能发现一个用很长的金属线栓着的大铁球,类似钟摆来回摆动,这便是傅科摆。

中国科学技术馆馆员武佳向《中国科学报》记者介绍:“傅科摆直观展示了地球的自转现象。最早发明这种方法的人是法国著名物理学家让·博纳·雷昂·傅科。160多年前,他用一种简单的类似钟摆的器械,实现了整个测量过程。”

1514年,波兰天文学家哥白尼提出了地球自转的同时围绕太阳公转的观点。这一观点与当时的天文学观点是背道而驰的。后来,科学家们通过天文观测,逐渐接受了哥白尼的观点。但是,他们还是缺少实际地球运行情况的展示。

傅科偶然发现了一个展示地球自转的方法。他首先在自己家中的地下室进行了实验:用一个很重的锤子挂在一个钟摆上,摆锤是5千克的黄铜球,摆线是一根细线。用另一根线系于末端将其固定在某一位置,等到摆锤完全静止,用火柴烧断这根线,让摆自由摆动。按照傅科的预想,地球自转时,这一钟摆就会在空间的同一平面摆动。1851年1月8日下午2时,傅科进行实验时观察到摆动平面在地球绕日运动方向上旋转,这实质上就是用实验把地球自转的事实表现出来。

要研究摆动平面旋转的规律,必须改善实验条件,提高实验的精确程度,在阿拉果的支持下,傅科在巴黎天文台的大楼上重复了这个实验,这次实验使傅科有条件将他的摆长增加到11米,通过精心实验之后,1851年4月3日,傅科向法国科学院报告了他的发现和研究成果:摆动平面旋转的角度与纬度的正弦成正比。傅科向科学院报告之后,并没有停止实验而是增加摆长对实验不断进行重复。

在拿破仑三世赞助下,傅科准备进行他的第三次“傅科摆”实验。他设想,钟摆摆动时,在没有外力的作用下,将保持固定的摆动方向。如果地球在转动,那么钟摆下方的地面将旋转,而悬在空中的摆具有保持原来摆动方向的趋势,对于观察者来说,钟摆的摆动方向将会相对于地面发生变化。原理找对了,实验却并不好做。由于钟摆方向的改变是细微的,所以稍强一点的气流就会使实验结果发生变化。由于摆臂越长,实验效果越明显,所以为了观察到方向的改变,实验地点一定要设置在顶棚很高的厅堂之中,顶棚用来悬挂钟摆。傅科最后选择了贝利高松的国葬院作为实验场所。

这次他用一根67米长的铁丝悬挂28千克的球做成摆,在铁球的下方镶嵌了一枚细长的尖针,并在摆的下方安置了一个沙盘。摆运动时,摆尖会在沙盘上划出一道道的痕迹,从而记录了摆动方向。

实验当天,成千上万人前来观看这一奇妙的实验。随着时间一分一秒地流逝,人们发现了奇迹,那就是摆在悄悄地发生着“移动”,并且是沿顺时针方向发生旋转。有的人在摆动开始时,明明看到摆球运动到自己眼前,又荡了回去,可经过一段时间之后,摆球竟离自己越来越远。这对于围观的人们来讲,他们通过对现象的观测都得出这样的结论,眼看着自己没有移动,那一定是摆平面发生了“移动”。

“实验的结果与傅科的设想完全吻合,摆的摆动显示为由东向西、缓慢而持续的方向旋转。傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。”武佳说。

傅科的实验引发了全世界的一股实验热潮,各地的人们纷纷效仿傅科,用长长的钟摆来揭示地球的自转。人们发现,在地球的两极,傅科摆的摆动平面24小时转一圈,而在赤道上,傅科摆没有方向旋转的现象;在两极与赤道之间的区域,傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。

1855年,在世界博览会上,傅科表演了他的实验,这是他的第四次“傅科摆”实验,这不仅使他的实验闻名于世,而且促进了物理学研究的发展。

《中国科学报》 (2015-01-09 第6版 历史)


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