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摘要:傅科擺的相關(guān)研究關(guān)鍵字:傅科擺傅科擺證實(shí)地球自轉(zhuǎn)的儀器,是法國(guó)物理學(xué)家傅科于1851年發(fā)明的。地球自西向東繞著它的自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn),同時(shí)在圍繞太陽公轉(zhuǎn)。觀察地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)并不難。用未經(jīng)扭曲過的尼龍釣魚線,懸掛擺錘,在擺錘底部裝有指針。擺長(zhǎng)從3米至30由于地球的自轉(zhuǎn),擺動(dòng)平面的旋轉(zhuǎn)方向,在北半球是順時(shí)針的,在南半球是反時(shí)針的。擺的旋轉(zhuǎn)周期,在兩極是24小時(shí),在赤道上傅科擺不旋轉(zhuǎn)。在緯度40°的地方,每小時(shí)旋轉(zhuǎn)10°弱,即在37小時(shí)內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周。顯然擺線越長(zhǎng),擺錘越重,實(shí)驗(yàn)效果越好。因?yàn)閿[線長(zhǎng),擺幅就大。周期也長(zhǎng),即便擺動(dòng)不多幾次(來回?cái)[動(dòng)一二次)也可以察覺到擺動(dòng)平面的旋轉(zhuǎn)、擺錘越重,擺動(dòng)的能量越大,越能維持較長(zhǎng)時(shí)間的自由擺動(dòng)。圖中拍照的是懸掛在北京天文館球形展覽大廳天花板上的傅科擺擺錘部分,時(shí)時(shí)刻刻提醒人們,地球在自西向東自轉(zhuǎn)著。傅科擺為了證明地球在自轉(zhuǎn),法國(guó)物理學(xué)家傅科(1819—1868)于1851年做了一次成功的擺動(dòng)實(shí)驗(yàn),傅科擺由此而得名。實(shí)驗(yàn)在法國(guó)巴黎的一個(gè)圓頂大廈進(jìn)行,擺長(zhǎng)67米,擺錘重27公斤,懸掛點(diǎn)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)使摩擦減少到最低限度。這種擺慣性和動(dòng)量大,因而基本不受地球自轉(zhuǎn)影響而自行擺動(dòng),并且擺動(dòng)時(shí)間很長(zhǎng)。在傅科擺實(shí)驗(yàn)中,人們看到,擺動(dòng)過程中擺動(dòng)平面沿順時(shí)針方向緩緩轉(zhuǎn)動(dòng),擺動(dòng)方向不斷變化。分析這種現(xiàn)象,擺在擺動(dòng)平面方向上并沒有受到外力作用,按照慣性定律,擺動(dòng)的空間方向不會(huì)改變,因而可知,這種擺動(dòng)方向的變化,是由于觀察者所在的地球沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果,地球上的觀察者看到相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,從而有力地證明了地球是在自轉(zhuǎn)。傅科擺放置的位置不同,擺動(dòng)情況也不同。在北半球時(shí),擺動(dòng)平面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);在南半球時(shí),擺動(dòng)平面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),而且緯度越高,轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快;在赤道上的擺幾乎不轉(zhuǎn)動(dòng)。傅科擺擺動(dòng)平面偏轉(zhuǎn)的角度可用公式θ°=15tsinφ來求,單位是度。式中φ代表當(dāng)?shù)氐乩砭暥?,t為偏轉(zhuǎn)所用的時(shí)間,用小時(shí)作單位,因?yàn)?小時(shí)等于15°,所以,為了換算,公式中乘以傅科擺
1851年,法國(guó)物理學(xué)家讓·傅科在巴黎國(guó)葬院安放了一個(gè)鐘擺裝置,擺的長(zhǎng)度為67米,底部的擺錘是重28千克的鐵球,在鐵球的下方鑲嵌了一枚細(xì)長(zhǎng)的尖針。這個(gè)巨大的裝置是用來做什么的呢?
原來,傅科要證明地球的自轉(zhuǎn)。他設(shè)想,當(dāng)鐘擺擺動(dòng)時(shí),在沒有外力的作用下,它將保持固定的擺動(dòng)方向。如果地球在轉(zhuǎn)動(dòng),那么鐘擺下方的地面將旋轉(zhuǎn),而懸在空中的擺具有保持原來擺動(dòng)方向的趨勢(shì),對(duì)于觀察者來說,鐘擺的擺動(dòng)方向?qū)?huì)相對(duì)于地面發(fā)生變化。原理想通了,實(shí)驗(yàn)卻并不好做。由于鐘擺方向的改變是細(xì)微的,所以稍強(qiáng)一些的氣流就會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)生變化。由于擺臂越長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)效果越明顯,所以為了觀察到方向的改變,實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)一定要設(shè)置在頂棚很高的廳堂中,頂棚用來懸掛鐘擺。傅科最后選擇了巴黎高聳的國(guó)葬院作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所,并在擺的下放安置了一個(gè)沙盤。在擺運(yùn)動(dòng)時(shí),擺尖會(huì)在沙盤上劃出一道道的痕跡,從而記錄了擺動(dòng)方向。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與傅科的設(shè)想完全吻合,擺的擺動(dòng)顯示為由東向西的、緩慢而持續(xù)的方向旋轉(zhuǎn)。傅科的演示直接證明了地球自西向東的自轉(zhuǎn),所以人們稱呼實(shí)驗(yàn)中的鐘擺為“傅科擺”,當(dāng)時(shí)的法國(guó)政府還向傅科頒發(fā)了榮譽(yù)騎士五級(jí)勛章,以表彰他的科學(xué)貢獻(xiàn)。傅科的實(shí)驗(yàn)引發(fā)了全世界的一股實(shí)驗(yàn)熱潮,各地的人們紛紛效仿傅科,用長(zhǎng)長(zhǎng)的鐘擺來揭示地球的自轉(zhuǎn)。人們發(fā)現(xiàn),在地球的兩極,傅科擺的擺動(dòng)平面24小時(shí)轉(zhuǎn)一圈,而在赤道上,傅科擺沒有方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象;在兩極與赤道之間的區(qū)域,傅科擺方向的旋轉(zhuǎn)速度介于兩者之間。
地球每24小時(shí)自轉(zhuǎn)一周,由于赤道的周長(zhǎng)約4萬千米,因此人們有“坐地日行八萬里”的說法。在赤道上的一點(diǎn),速度是每秒接近500米,這是子彈出膛時(shí)的速度。我們像子彈一樣地飛馳,卻沒有一絲感覺,是由于在慣性的影響下,周圍的物體都跟隨地球高速轉(zhuǎn)動(dòng),彼此之間倒是不即不離。不識(shí)地球的廬山真面目,只緣我們身在
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