自制傅科擺的可行性探究

1851年，法國物理學家萊昂·傅科在大廳拱頂懸掛了一個擺長67米、擺球重28千克的巨大單擺。觀察發現，單擺每次擺動的方向都會稍稍偏離原軌跡，沿順時針方向緩緩轉動，從而有力地證明了地球在自轉。這套實驗裝置被稱為“傅科擺”，這一實驗也被評為“物理最美實驗”之一，如圖1。

今年暑假，我在北京天文館見證了傅科擺的神奇，于是也想制作一個屬于自己的傅科擺。想法很簡單，實現起來卻十分不易：一是家里的屋頂不夠高，擺長最長只有3米；二是找不到足夠重的擺球，只能用不銹鋼球代替。

不過，這并沒有打消我的熱情，還讓我多了一分好奇 ：在有限的條件下，這個“物理最美實驗”能成功嗎？擺球的擺動方向會發生明顯偏轉嗎？

一、實驗器材

在家長和老師的幫助下，我花了好幾天時間，終于將實驗器材準備齊全，包括不銹鋼水管卡箍、U形卡槽、軸承、螺桿、激光頭、微型鋰電池、不銹鋼球、釣魚線、空心螺桿等，如圖2。

二、制作過程

1.制作萬向節 ：當年，為了最大程度地降低摩擦力的影響，傅科在鋼索的懸掛點使用了一個特殊的萬向節，如圖3。于是，我仿照圖紙設計了一個類似結構的萬向節，如圖4。

2.制作擺球：將激光頭和微型鋰電池連接通電后，放入不銹鋼球的內孔中，如圖5。用紅色激光作為指示，這樣能更直觀地記錄擺球擺動軌跡的偏轉角度。

3.連接擺線：把萬向節固定在陽臺的晾衣桿上，選擇合適長度的釣魚線，線的上端捆綁在軸承的凹槽上，如圖6，下端通過空心螺桿與不銹鋼球連接，如圖7。

三、實驗過程

1.狀態初始化

待擺球自然靜止后，將一張標有角度盤的紙板放在擺球下方，使角度盤的中心點與激光光斑重合。

2.擺球起擺

為了排除外力不均對擺球軌跡的影響，確保激光的光斑軌跡每次都通過角度盤中心，我在擺球的空心螺桿上拴了一根棉線，沿角度盤0°方向往外輕拉擺球（確保激光光斑在角度盤外沿5厘米以外），將棉線的另一端拴在一根固定的柱子上。待擺球完全靜止后，用火燒斷棉線，擺球自由擺動，如圖8。

3.記錄實驗結果

我選取直徑40毫米的不銹鋼球作為擺球進行實驗，但是實驗現象很不明顯：一是擺動時間較短，有效擺動時間只有9分鐘；二是擺動軌跡偏轉不明顯，小于1°。

于是，我果斷調整方案，選取直徑60毫米的不銹鋼球作為擺球，重復進行了5次擺動實驗，取平均值。這次的實驗現象比較明顯：有效擺動時間約35分鐘，擺動軌跡偏轉了3°。

四、實驗結果與結論分析

根據傅科擺偏轉公式 =15 sin （其中 為偏轉角度， 為有效擺動時間， 為所在地緯度），長沙地區所在緯度約為北緯28°，那么35分鐘（約0.58小時）的理論偏轉角度為15×0.58×sin28°≈4.1°。

我的實驗數據為3°，小于理論值。我分析認為，這可能是擺線較短、擺球較輕、萬向節的摩擦力較大等多個原因導致。雖然實驗數據有偏差，但依然可以驗證傅科擺的偏轉原理，說明地球在自轉。

在家長和老師的指導下，我成功復刻了“物理最美實驗”。從準備器材到動手實驗，每一步都充滿了挑戰。雖然屢遭挫折，但這是第一次由我主導的科學探索之旅，我體驗到了前所未有的成就感。

指導老師 陳梓楠 李穎涵

專家點評

戴安琪同學憑借自己的努力和創造力，廣泛搜集實驗器材，歷經設計、制作和實驗等多個環節，成功驗證了傅科擺的偏轉原理。文章清晰地展示了整個制作過程，詳細記錄了實驗數據，并對結果進行了合理分析，展現了她對未知的好奇、對科學的濃厚興趣和勇于探索的精神，這些品質在科學學習和實踐探究中非常寶貴。