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证明地球自转的一项重要实验

2015-08-06  小袤

证明地球自转的一项重要实验

证明地球自转的一项重要实验

1851年,正当中国的太平军和清兵之间刀兵相见、土炮声隆隆,整日厮杀得人仰马翻、人头滚滚、遍尸千里、血流成河的时候,法国人却安闲自得地在做着一项对人类进步有趣的一种实验,以证明我们脚下这块大地确实是在转动着。如果人类谁都不来做这项实验,我们站在这里确实感觉不到大地在动,鬼才会相信地球会转动呢!那么人类的文明要推迟许多年。

又因为自从1616年伽利略被罗马教廷的审判,迫使他低头认罪日心说是异端邪说。据说伽利略当时曾喃喃自语道:“可是地球仍然在动啊!”但是谁也不理睬他这个疯子,因为伟大的《圣经》中所说大地是不动的,是太阳和星辰绕着地球转的,又有谁来推翻它呢?谁来证明地球确实存在着自转和公转的现象呢?人类的认识首先是要先证明地球自转,然后才能证明地球是公转。

直到1851年,为了证明地球在自转,法国物理学家让·傅科在国葬院(先贤祠)的大厅里,当众做了一次成功的摆动实验,“傅科摆”由此而得名。傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条67米长的绳索,绳索的下面是一个重达28千克的摆锤,悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。摆锤的下方是一个直径6米的沙盘。在不给任何外力作用的情况下,摆锤发生了缓缓的转动,摆锤上的指针清楚地在沙盘上面留下运动的痕迹。

实验结果,人们惊奇的发现,傅科设置的摆每旋转一个圈,在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹(准确地说,在这个直径6米的沙盘边缘,两个轨迹之间相差大约3毫米)。“地球真的是在转动啊!”有的人不禁发出了这样的感慨。这个自转力从何而来?而且旋转方向正好又与地球自西向东同步,这不就是正好有力地证明了地球是在自转了吗!

 以后又有其它国家的人做了相同的实验证明,傅科摆放置的位置不同,摆动情况也不同。在北半球时,摆动平面顺时针转动;在南半球时,摆动平面逆时针转动。而且纬度越高,转动速度越快,在赤道上的摆几乎不转动,在两极极点旋转一周的周期则为一恒星日(23小时564秒),简单计算中可视为24小时。傅科摆摆动平面偏转的角度可用公式θ°=15°tsinφ来求,单位是度。式中φ代表当地地理纬度,t为偏转所用的时间,用小时作单位,因为地球自转角速度1小时等于15°,所以,为了换算,公式中乘以15°。从此,傅科摆时时刻刻提醒着人们,地球在自西向东24小时自转着。

傅科使用了如此巨大的摆是有道理的。由于地球转动的比较缓慢(相对摆的周期而言),需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异。又因为空气阻力的影响,这个系统必须拥有足够的机械能(一旦摆开始运动,就不能给它增加能量)。所以傅科选择了一个28千克的铁球作为摆锤。此外,悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动。傅科正是因为做到了这三点,才能成功地演示出地球的自转现象。

摆的运动可以超然于地球的自转,但悬挂摆的支架一般却要带动它参与地球的自转。为解决这一问题,傅科采取了一种简单而巧妙的装置-万向节,从而使摆动平面超然于地球的自转。傅科摆为什么能够演示出地球自转呢?简单的说,是因为惯性。

通常,我们说“地球具有自转”的时候,我们并没有明确出它到底相对于什么自转。这是一个非常重要的问题,如果没有参照物,谈论运动是不可想象的。还没有办法在空间中打上一根钉子作为绝对的参照物,因此,我们只能依靠较远的、看起来似乎是静止的天体作为参照物。事实上,那些天体也绝不是“空间中的钉子”,只不过因为它们实在太遥远了,我们不妨——事实上恐怕也是唯一的选择——把它们作为参照物。以遥远的恒星作为参照物,一个物体不受外力作用的时候,将一直保持它的运动状态。这也是牛顿第一定律的内容。

摆是一种很有趣的装置。给摆一个恰当的起始作用,它就会一直沿着某一方向,或者说某一平面运动。如果摆的摆角小于5度的话,(高中物理书允许在10°之内)摆锤甚至可以视为做一维运动的谐振子。

如果把傅科摆放置赤道上呢?那样的话,我们将观察不到任何转动。把摆锤的运动看做一维谐振(单摆),由于它的运动方向与地轴平行,而地轴相对遥远的恒星是静止的,所以我们观测不到傅科摆相对地面的转动。

如果在把傅科摆移回巴黎。摆锤的运动可以分解为沿地轴方向的和与之垂直方向上的两个分运动。后者会产生相对地面的旋转(正如北极的傅科摆)。这两个分运动合成的结果是,从地面上的人看来,傅科摆以某种角速度缓慢的旋转——介于傅科摆在北极和赤道的角速度之间。(也可以从科里奥利力的角度解释,得出的结论是一样的)如果在北极的观测到傅科摆旋转一周的时间是AA=24h),那么在任意纬度γ上,傅科摆旋转一周所需的时间是A/sinγ

·傅科(1819—1868)出生于法国巴黎。从小喜欢动手做试验,最初傅科学习的是医学,后来才转行学习物理学。1851年,傅科摆做了这个非常简单的演示了地球自转现象的实验,获得了荣誉骑士五级勋章。1852年,他制造出了回转仪(陀螺仪)——也就是现代航空、军事领域使用的惯性制导装置的前身。此外,他还发现了在磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流,这被命名为傅科电流1862年,傅科使用旋转镜法成果的测定了光速为289 000km/s,这是当时相当了不起的成绩,因此他被授予了骑士二级勋章。此外,傅科还在实验物理方面做出了一些贡献。例如改进了照相术、拍摄到了钠的吸收光谱(但是解释是由基尔霍夫做出的)。

为了观察春夏秋冬是怎么来的,这才发现了地球公转与地球倾斜角的原理。据科学家推测:四十亿年以前,一颗小行星撞到地球,造成地轴倾斜于是产生地球四季气候。

地球自摆角有多少度?目前已知地轴的倾斜约以四万年的周期变动,变动幅度在22.124.5度间,现在的倾斜度是23.5度。太阳系九大行星当中,除了水星几乎垂直于黄道面之外,其余行星都或多或少是倾斜的,例如火星倾斜25度,土星27度,木星3度,甚至连我们的太阳也倾斜7度,月球则倾斜 6.5度,而天王星更倾斜高达98度,简直是躺着转了!如果倾角变大,南、北半球夏季日照量会大增,而冬季剧减。此外,尚有影响地球气候的其它轨道因素,例如地球轨道椭圆的偏心率大约以10万左右的周期在变化。

岁差就是自转轴绕圈圈(就像陀螺要倒地之前,陀螺会倾斜着转圈圈的样子)的现象,地球岁差的周期大约是两万六千年左右;进动就是岁差,两者名称不同,在于进动是物理学的名词,而岁差则是天文学上的用法。 与进动有关的一种作用,称为章动,是进动过程中,地球自转轴轻微摆动的现象。这两种作用,都是因为天体自转轴倾斜,以及因为自转所造成的形状改变,还有周遭天体位置的改变所产生。

岁差现象使地轴在黄道极转圆圈,周期大约25800年,春分点平均每年后退50弧秒;现今太阳运行,每月所在的黄道十二星座,与三千多年以前发明的占星术中太阳所在的星座已经不同。北极星也逐渐移动,在公元一万四千多年以后,织女星将成为北极星。

我写本篇的目的就是要说明,做任何事情都要考证和实验,不要迫于“伟大权威”的淫威去接受事物,不要单评臆想去下结论。人类靠一步步的科学实验,才推动了人类文明进步不断地向前移动,也包括社会科学领域。

    2015.7.20

 

 

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