邵航
地球每時每刻都在進行著公轉和自轉。公轉給我們帶來了春夏秋冬,自轉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。天文學家哥白尼經過長達20多年的觀測和計算,推翻了當時權威的“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和自轉。那么,用什么辦法可以觀察到地球的自轉呢?
在1851年的法國,一個叫傅科的物理學家做了一個非常有趣的實驗,證明地球確實在自轉。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。每當擺錘經過沙盤上方的時候,擺錘上的指針就會在沙盤上面留下運動的軌跡。按照日常生活的經驗,這個碩大的擺應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現,傅科設置的擺每經過一個周期的震蕩,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動的結果,從而有力地證明了地球是在自轉。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?在中國科學技術館二層“探索與發現”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,仔細觀察,等待三段時間后就會發現,擺動的平面在緩緩地轉動。它的旁邊還細觀察,等待一段時間后就會發現,擺動的平面在緩緩地轉動。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,在北極觀察時,地球按逆時針旋轉,因此擺動平面按順時針方向轉動;反之,在南極觀察,擺動平面按逆時針方向轉;而在赤道上,傅科擺的擺動方向沒有任何改變。