教科書背后的故事

于鵬翔

汽車到底動沒動？

現在請你閉上眼，在腦海中進行一場思維實驗吧。想象我們在一輛封閉的、行駛起來非常平穩的車中，我們給這輛車取名為“超級汽車”。因為車廂封閉，所以坐在車里的你看不到外面。開始時你和車都是靜止的，然后車非常平順地啟動了。但在行進過程中，司機駕駛的車會左轉或者右轉，加速或者減速。此時你一定能感受到車子的運動，因為車子只要轉向、變速，它原來的狀態就會被改變，而乘客原本相對于車靜止的狀態也會被改變。作為乘客，你會保持原本的運動趨勢，這樣說來，汽車右轉的時候，你的身體向左傾斜，就是因為原本我們的身體就有向左運動的趨勢，突然車子右轉，我們的身體因為慣性還會在原本向左的運動狀態上再保持一段時間。而所謂慣性就是保持你原來狀態的力量，比如騎車時，你突然停止蹬車，但車子仍然能夠滑行一段，這就是因為慣性使車子保持了原來的運動狀態;你跑步時，突然停下來，上身會不由自主地前傾，這也是慣性的作用。這樣說來，汽車右轉的時候，我們的身體向左傾，就是因為原本我們的身體是靜止的，車子突然右轉，我們的身體因為慣性還會在原本靜止狀態時的位置上保持一段，所以相對向右運動的車子來說，我們的身體就是向左的。

過了一會兒，我們的超級汽車駛入另外一條車道，開始平穩地行駛，沒有加速，沒有減速，沒有轉彎，也沒有震動。此時你還能感受到汽車在動嗎？閉上眼睛想象一下坐在車里的感受，是不是身在其中仿佛靜止一般？因為此時汽車在做平穩的勻速運動，沒有受到額外的力的影響，所以我們在車內也因為沒有外力影響，而感受不到汽車的運動。

地球的運動狀態就與平穩運行的超級汽車相似：地球的自轉不會突然加速、減速，也不會顛來顛去。與我們設想的超級汽車唯一不同的就是：地球不是走直線而是在轉圈。這時候你可能會說：不對呀，轉圈的時候我們還會額外感受到一個把我們甩出去的力，就像在公園玩轉盤時那樣。沒錯，由于地球是旋轉的，身處其中的我們的確會受到一種向外的力。不過，地球轉圈的速度很慢——自轉一周需要一天的時間。所以，即使生活在距地軸最遠、受這種力最大的赤道附近，你所受到的這種向外的力也不過1～2牛頓（“牛頓”是表示力量大小的單位），大約是你拿起200毫升礦泉水所需的力量。這么小的力量對我們的影響幾乎可以忽略不計，我們還是會被更大的地心引力牢牢地固定在地球表面，與地球一起平穩地轉圈。這時，沒有外力的變化來使我們判斷出自己的運動狀態，我們也就感受不到地球的運動了。那我們怎么知道地球在運動呢？

證明地球在運動

除了通過受力判斷運動狀態，我們還有什么其他方法嗎？現在，我們再回到超級汽車上。之前，這輛超級汽車的車廂是封閉的，現在我們覺得這個車廂待起來很不舒服，于是我們給它設置幾扇窗戶。透過車窗，我們能看到外面的風景，那么根據外面的景物，我們是不是就能判斷汽車是否在運動了？當車窗外的樹靜止時，我們知道汽車也是靜止的;當車窗外的樹向后運動時，說明我們的車在向前奔馳。在物理學中，我們把這棵樹稱為參照物。通過參照物我們就可以知道自己的運動狀態了。

假如這時我們旁邊突然駛來另一輛車，我們叫它“2號超級汽車”，2號車現在在我們的窗外行駛，它的方向、速度與我們這輛車都一樣，那以2號車為參照物，你還能判斷我們的運動狀態嗎？恐怕此時你真的會迷糊了：我們所在的車到底是不是在動呢？因為旁邊的2號車和我們的狀態一樣，我們動它也動，我們不動它也不動。所以如果以和我們狀態一樣的2號車為參照物，我們是無法判斷自己的運動狀態的。

還是回到地球上，我們在地球之外能找到合適的參照物嗎？這次比較幸運了，我們現在還沒有發現我們能看見的和地球運動狀態一模一樣的“2號地球”。我們眼睛能看到的地球外的物體都有自己的運動狀態。這樣一來，我們就可以憑借它們來確定地球的自轉運動了。最明顯的就是太陽和月亮的升落。

不過，你可能又有一個疑問：既然日月星辰都在運動，那為什么除了太陽和月亮，天上的其他星星看上去都像靜止的？其實天上的星星都在運動，只是我們沒有為它們定位參照物，所以很難發現它們的運動而已。如果你在建筑物附近的星空中鎖定一顆星星，用不了一會兒就會發現它在遠離或靠近建筑物，這樣就能發現星星的移動了。

我們注意不到星星的運動，還有一個原因就是我們眼睛的“錯覺”。我們的眼睛大概能看到前方160°的角度。你在眼前輕輕揮一下手，一瞬間你就能看到手劃過你的面前。要是遠處有一架飛機飛過，它就需要更久的時間才能飛出你的視野。飛機的速度比你揮手的速度快得多，只是因為它離我們的距離更遠，所以我們感覺它運動得更慢。由此看來，離我們更遠的日月星辰在我們視野中的運動速度就更慢了。

在人的視野里，一個物體的角速度（單位時間內走過的角度）越小，看上去運動得就越慢

泄露“天機”的傅科擺

除了在地球之外尋找參照物，我們在地球上還有其他途徑來證明地球的自轉嗎？早在十九世紀，法國物理學家萊昂·傅科就發明了一種方法。傅科最早是學醫的，但他由于暈血，很快就放棄了醫學轉向物理學。他曾經測量過光速，發現了渦電流，還給陀螺儀取了名字。而現在他最為人熟知的成就就是發明了傅科擺。當年，物理學的鼻祖伽利略就研究過擺動現象，他發現在擺動幅度小于10°的情況下，擺的運動周期只與擺線的長度有關。后來，人們由此發明了擺鐘。

傅科擺模型圖

1851年，傅科在巴黎先賢祠最高的拱頂下方垂下一根67米長的鋼索，鋼索的另一端懸掛著一顆28千克重的擺錘，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留下運動的軌跡。在實驗中，人們看到在傅科擺擺動過程中，擺動平面會沿順時針方向緩緩轉動，而擺動方向不斷變化。按照日常生活經驗，這個碩大無朋的擺在沙盤上應該只能畫出唯一一條軌跡。但實驗開始后，人們驚奇地發現，傅科設置的擺每經過一個周期的振蕩，在沙盤上畫出的軌跡都會偏離原來的軌跡，幾個周期下來，就能形成一個花瓣狀的運動軌跡圖。于是這個實驗也被稱為“最美物理實驗”。看到這個實驗結果，人們不禁要問：單擺擺動不應該形成一條直線軌跡嗎？怎么會出現花瓣狀軌跡？其實這就是因為地球自轉形成了一種慣性力，即地轉偏向力，所以才使本來沿直線運動的單擺出現了偏轉，形成花瓣狀軌跡。此外，傅科擺的擺動還與緯度有關，緯度越高，傅科擺的擺動速度越快，在赤道上，幾乎觀察不到它的擺動現象。

如果你去北京天文館的A展館，一進門就能見到一個巨大的傅科擺，它在不停地向人們展示著地球的自轉運動。

了解了牛頓的慣性定律、參照物的作用，以及傅科擺的最美物理實驗，地球自轉運動在我們眼中不再神秘。接下來請你再思考：假如地球停止轉動，這個世界會發生什么呢？答案下期揭曉！