郭紅鋒



驗證地球自轉的傅科擺實驗
1851年,法國物理學家傅科為了驗證地球自轉,在巴黎的一個大廳里做了一個成功的實驗。他用一根長67米的繩子和一個重28公斤的擺錘,在一個巨大的沙盤上空擺動。擺錘下面是尖的,擺動時就會在沙盤上劃出擺線。
很多人屏住呼吸觀看,過了一段時間,擺錘劃的擺線真的慢慢偏轉了!在場的人們不禁驚呼起來:地球真的轉動了(見圖1)!
這個實驗是根據單擺的特點設計的。單擺就是用一根細長的線(t)吊著一個重錘,使重錘在一個很小的角度(0小于5°)下擺動。如果不加外力,根據單擺定理,擺動的方向(擺動面)應該保持初始方向不變(見圖2)。現在,擺線方向發生了偏轉,這充分說明大地(地球)在旋轉。
傅科的實驗條件符合單擺定理條件(繩子很長,擺動角度很小,幾乎不受外力),所以當擺錘在沙盤上劃的線偏轉時,人們相信這是地在轉動。傅科的實驗令人信服地證實了地球自轉的事實,被后人評價為史上最完美的十大物理實驗之一。傅科做的擺也被人們稱作傅科擺。
現在,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傅科擺(見圖3)。
動手做個傅科擺
學習了傅科擺的故事,你受到什么啟發了嗎?原來科學家并不是聽到什么就信什么,而是要做實驗去證實的。既然傅科能做一個擺來證實地球自轉,天文館里也有人做出一個跟傅科一樣的擺。你能不能也做一個簡易的擺,看看它是不是有偏轉,來簡單驗證一下地球的轉動呢?如果成功了,不僅能幫助你像科學家一樣打開思路,拓寬視野,還能激發你更多的探究熱情和夢想!
為了做好實驗,我們需要準備一些器材:
1.一根細而長且又結實的線,最好是釣魚用的尼龍線;
2.擺錘或者沙袋(見圖4、圖5);
3.地面畫線的水筆。
傅科擺的實驗過程
1.用細線把擺錘系住;
2.把擺錘吊在高處;
3.在擺錘下面劃上十字交叉線;
4.用手輕輕捏住擺錘,沿十字線的某個方向拉開,輕輕松手使之擺動;
5.觀察并記錄擺動起始時間和停止時間,并記錄擺動偏轉角度(與十字線偏離的角度)。
小鏈接:國家天文臺里的傅科擺實驗
看看同學們在國家天文臺大廳里做的傅科擺實驗過程吧:
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個鐵秤砣綁在一起),吊點據地面高度是5米(繩長4.8米);
2)在地面鋪上一張白紙,并畫出十字線;
3)順著一條十字線輕輕拉開擺錘約0.4米的距離,輕輕放開手,讓它自己擺起來;
4)擺錘一共擺了約14分鐘,才慢慢停了下來,可以看到擺動角度有明顯的偏轉(見圖6、圖7)。
同學們,你能自己在家里或學校做一個傅科擺實驗嗎?請把你的實驗記錄和數據寄給我們,大家一起分享成功驗證地球自轉的喜悅吧!