驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的傅科擺實(shí)驗(yàn)

◎文/圖 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 郭紅鋒

驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的傅科擺實(shí)驗(yàn)

1851年，法國(guó)物理學(xué)家傅科為了驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)，在巴黎的一個(gè)大廳里做了一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)。他用一根長(zhǎng)67米的繩子和一個(gè)重28公斤的擺錘，在一個(gè)巨大的沙盤(pán)上空擺動(dòng)。擺錘下面是尖的，擺動(dòng)時(shí)就會(huì)在沙盤(pán)上劃出擺線(xiàn)。

很多人屏住呼吸觀看，過(guò)了一段時(shí)間，擺錘劃的擺線(xiàn)真的慢慢偏轉(zhuǎn)了！在場(chǎng)的人們不禁驚呼起來(lái)：地球真的轉(zhuǎn)動(dòng)了（見(jiàn)圖1）！

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)單擺的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。單擺就是用一根細(xì)長(zhǎng)的線(xiàn)（ι）吊著一個(gè)重錘，使重錘在一個(gè)很小的角度（θ小于5°）下擺動(dòng)。如果不加外力，根據(jù)單擺定理，擺動(dòng)的方向（擺動(dòng)面）應(yīng)該保持初始方向不變（見(jiàn)圖2）。現(xiàn)在，擺線(xiàn)方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，這充分說(shuō)明大地（地球）在旋轉(zhuǎn)。

圖1　傅科的實(shí)驗(yàn)

圖2　單擺原理圖

圖3　北京天文館里的傅科擺

傅科的實(shí)驗(yàn)條件符合單擺定理?xiàng)l件（繩子很長(zhǎng)，擺動(dòng)角度很小，幾乎不受外力），所以當(dāng)擺錘在沙盤(pán)上劃的線(xiàn)偏轉(zhuǎn)時(shí)，人們相信這是地在轉(zhuǎn)動(dòng)。傅科的實(shí)驗(yàn)令人信服地證實(shí)了地球自轉(zhuǎn)的事實(shí)，被后人評(píng)價(jià)為史上最完美的十大物理實(shí)驗(yàn)之一。傅科做的擺也被人們稱(chēng)作傅科擺。

現(xiàn)在，全世界很多天文館和科技館里都有精美的傅科擺展示給觀眾。北京天文館里也有一個(gè)傅科擺（見(jiàn)圖3）。

動(dòng)手做個(gè)傅科擺

學(xué)習(xí)了傅科擺的故事，你受到什么啟發(fā)了嗎？原來(lái)科學(xué)家并不是聽(tīng)到什么就信什么，而是要做實(shí)驗(yàn)去證實(shí)的。既然傅科能做一個(gè)擺來(lái)證實(shí)地球自轉(zhuǎn)，天文館里也有人做出一個(gè)跟傅科一樣的擺。你能不能也做一個(gè)簡(jiǎn)易的擺，看看它是不是有偏轉(zhuǎn)，來(lái)簡(jiǎn)單驗(yàn)證一下地球的轉(zhuǎn)動(dòng)呢？如果成功了，不僅能幫助你像科學(xué)家一樣打開(kāi)思路，拓寬視野，還能激發(fā)你更多的探究熱情和夢(mèng)想！

為了做好實(shí)驗(yàn)，我們需要準(zhǔn)備一些器材：

1. 一根細(xì)而長(zhǎng)且又結(jié)實(shí)的線(xiàn)，最好是釣魚(yú)用的尼龍線(xiàn)；

2. 擺錘或者沙袋（見(jiàn)圖4、圖5）；

3. 地面畫(huà)線(xiàn)的水筆。

圖4　擺錘

圖5　沙袋

傅科擺的實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1. 用細(xì)線(xiàn)把擺錘系住；

2. 把擺錘吊在高處；

3. 在擺錘下面劃上十字交叉線(xiàn)；

4. 用手輕輕捏住擺錘，沿十字線(xiàn)的某個(gè)方向拉開(kāi)，輕輕松手使之?dāng)[動(dòng)；

5. 觀察并記錄擺動(dòng)起始時(shí)間和停止時(shí)間，并記錄擺動(dòng)偏轉(zhuǎn)角度（與十字線(xiàn)偏離的角度）。

小鏈接：國(guó)家天文臺(tái)里的傅科擺實(shí)驗(yàn)

看看同學(xué)們?cè)趪?guó)家天文臺(tái)大廳里做的傅科擺實(shí)驗(yàn)過(guò)程吧：

1) 用普通包裝繩把重物掛在頂棚的橫梁上，擺錘的重量是1100克（是把3個(gè)鐵秤砣綁在一起），吊點(diǎn)據(jù)地面高度是5米（繩長(zhǎng)4.8米）；

2) 在地面鋪上一張白紙，并畫(huà)出十字線(xiàn)；

3) 順著一條十字線(xiàn)輕輕拉開(kāi)擺錘約0.4米的距離，輕輕放開(kāi)手，讓它自己擺起來(lái)；

4) 擺錘一共擺了約14分鐘，才慢慢停了下來(lái)，可以看到擺動(dòng)角度有明顯的偏轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖6、圖7）。

圖6　國(guó)家天文臺(tái)傅科擺實(shí)驗(yàn)—初始位置

同學(xué)們，你能自己在家里或?qū)W校做一個(gè)傅科擺實(shí)驗(yàn)嗎？請(qǐng)把你的實(shí)驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)寄給我們，大家一起分享成功驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的喜悅吧！

圖7　國(guó)家天文臺(tái)傅科擺實(shí)驗(yàn)—擺動(dòng)偏轉(zhuǎn)