中國科學(xué)技術(shù)館之傅科擺

邵航

地球每時每刻都在進行著公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)給我們帶來了春夏秋冬，自轉(zhuǎn)讓我們擁有了白晝與黑夜。不過，一直到400多年前，人們還堅信地球是宇宙的中心。天文學(xué)家哥白尼經(jīng)過長達20多年的觀測和計算，推翻了當(dāng)時權(quán)威的“地心說”，建立了“日心說”。哥白尼告訴我們，地球的形狀是球形，而且在不斷地進行公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。那么，用什么辦法可以觀察到地球的自轉(zhuǎn)呢？

在1851年的法國，一個叫傅科的物理學(xué)家做了一個非常有趣的實驗，證明地球確實在自轉(zhuǎn)。傅科在巴黎國葬院大廳的穹頂上懸掛了一根67米長的繩索，繩索的下端掛著一個重達28千克的擺錘，擺錘的下方是巨大的沙盤。每當(dāng)擺錘經(jīng)過沙盤上方的時候，擺錘上的指針就會在沙盤上面留下運動的軌跡。按照日常生活的經(jīng)驗，這個碩大的擺應(yīng)該在沙盤上面畫出唯一的一條軌跡。然而，實驗開始后，觀看實驗的人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，傅科設(shè)置的擺每經(jīng)過一個周期的震蕩，在沙盤上畫出的軌跡就會偏離原來的軌跡一定角度，擺動過程中擺動平面在沿順時針方向緩緩轉(zhuǎn)動。

我們知道，對于一般的單擺，如果擺在擺動平面方向上沒有受到外力作用，擺動的空間方向是不會改變的。使用這樣的擺有一個前提，就是不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響。傅科用的擺有兩點是非常特殊的：一是擺線非常長，這樣便于顯示出軌跡的差異；二是擺錘的重量非常大，以減少空氣阻力的影響，保證擺在不增加外力的情況下能進行長時間擺動。在實驗的過程中，擺動方向的變化是由于地球沿著自西向東方向轉(zhuǎn)動的結(jié)果，從而有力地證明了地球是在自轉(zhuǎn)。正是由于偉大的傅科演示出了這個有趣的實驗，因此這種可以證明地球自轉(zhuǎn)的擺被稱為“傅科擺”。

如果把傅科擺分別放在地球的南極、北極和赤道上，擺動的軌跡會有什么變化呢？在中國科學(xué)技術(shù)館二層“探索與發(fā)現(xiàn)”A廳就有這樣一個展項，名字叫“傅科擺”。站在大大的傅科擺模型面前，你一定要有足夠的耐心，仔細(xì)觀察，等待三段時間后就會發(fā)現(xiàn)，擺動的平面在緩緩地轉(zhuǎn)動。它的旁邊還細(xì)觀察，等待一段時間后就會發(fā)現(xiàn)，擺動的平面在緩緩地轉(zhuǎn)動。它的旁邊還有三個小模型，演示了傅科擺在南極、北極和赤道上的擺動情況。由于地球自西向東自轉(zhuǎn)，在北極觀察時，地球按逆時針旋轉(zhuǎn)，因此擺動平面按順時針方向轉(zhuǎn)動；反之，在南極觀察，擺動平面按逆時針方向轉(zhuǎn)；而在赤道上，傅科擺的擺動方向沒有任何改變。