張銳波

(浙江大學(xué)城市學(xué)院,浙江杭州 310015)

地軸進(jìn)動(dòng)演示與定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀

張銳波

(浙江大學(xué)城市學(xué)院,浙江杭州 310015)

論述了地軸進(jìn)動(dòng)演示與定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)、各部位名稱及物理含義;介紹了演示的自然現(xiàn)象,以及定量測(cè)量原理與測(cè)量公式推導(dǎo);討論了采用該實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行定量測(cè)量思路、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和創(chuàng)新知識(shí)點(diǎn)。

地軸進(jìn)動(dòng);改進(jìn);制作;結(jié)構(gòu);原理;定量測(cè)量;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

進(jìn)動(dòng)(precession)是自轉(zhuǎn)物體之自轉(zhuǎn)軸又繞著另一軸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,又被稱作旋進(jìn)[1-3]。在天文學(xué)上被稱為“歲差“現(xiàn)象。

“陀螺”是日常生活中進(jìn)動(dòng)的一個(gè)明顯范例,若陀螺不自轉(zhuǎn)時(shí),就會(huì)在重力作用下倒在地上,但是若陀螺自轉(zhuǎn)時(shí),其自轉(zhuǎn)軸不會(huì)是鉛直的,而是圍繞其鉛垂線作旋轉(zhuǎn),即“旋進(jìn)”現(xiàn)象,地球的自轉(zhuǎn)類似于陀螺自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生旋進(jìn)[1-3]。本課題就是研制一地球進(jìn)動(dòng)演示儀,用來(lái)模擬地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)的現(xiàn)象。

1 地軸進(jìn)動(dòng)的自然現(xiàn)象原理

地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周所確定的平面是黃道平面,垂直于黃道平面的軸被稱為黃軸;地球赤道平面的無(wú)限延伸為天赤道平面,地球自轉(zhuǎn)軸的無(wú)限延伸稱為天軸。天文學(xué)已經(jīng)證實(shí)地球自轉(zhuǎn)軸與黃軸間的夾角即黃道平面與赤道平面的夾角,均為23°26'。在黃道球面坐標(biāo)系中,由于地球自轉(zhuǎn)軸是傾斜的,加之地球本身也并非正球體,由于太陽(yáng)和月亮對(duì)地球正反面隆起部分的差別引力作用,有自轉(zhuǎn)軸被“扶正”的趨勢(shì),即地球的赤道平面會(huì)傾向于黃道平面,地球的自轉(zhuǎn)軸同步傾向于黃軸。由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抗力,就會(huì)阻止地球自轉(zhuǎn)軸被扶正的可能性,而是保持與垂直線有一定的角度(即黃赤夾角23°26′)不變,使之地球自轉(zhuǎn)軸圍繞黃軸旋進(jìn)(又稱進(jìn)動(dòng)),自轉(zhuǎn)軸的進(jìn)動(dòng)掃過(guò)一個(gè)圓錐面,進(jìn)動(dòng)周期為26 000年左右。如圖1為地軸進(jìn)動(dòng)受力分析圖。

圖1 地軸進(jìn)動(dòng)受力分析圖

2 改進(jìn)后的地軸進(jìn)動(dòng)儀各部位名稱與物理含義

2.1 傳統(tǒng)地軸進(jìn)動(dòng)儀結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)地軸進(jìn)動(dòng)演示儀的自轉(zhuǎn)園環(huán)都是通過(guò)手動(dòng)使之轉(zhuǎn)動(dòng),由于其在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中要受到阻力作用,無(wú)法直接為系統(tǒng)均勻補(bǔ)給能量,其轉(zhuǎn)動(dòng)速度就會(huì)不斷地減速,圓環(huán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn),最終將會(huì)漫漫停下來(lái)。這種演示儀也難以實(shí)現(xiàn)赤道平面(圓圈所在平面)與黃道平面(垂直于鉛垂線的水平面)的恒定夾角不變,其演示效果就可想而知了。

2.2 改進(jìn)后的地軸進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)名稱

地軸演示實(shí)驗(yàn)儀改進(jìn)后的實(shí)物圖各部位名稱:(1)底座;(2)立柱;(3)主尺;(4)輪軸與輪軸套;(5)橫梁支點(diǎn)軸;(6)輪軸;(7)橫梁;(8)轉(zhuǎn)輪;(9)電機(jī);(10)光電門固定套;(11)電機(jī)固定套;(12)游標(biāo)桿固定套;(13)升降游標(biāo)桿;(14)游標(biāo)尺;(15)電源;(16)平衡錘滑套;(17)平衡錘。如圖2所示。

圖2 地軸進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)實(shí)物圖

2.3 改進(jìn)后進(jìn)動(dòng)儀各部位連接與物理含義

電源采用24 V蓄電池,接通電源,電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪(代表地球或赤道)轉(zhuǎn)動(dòng),橫梁(代表地球自轉(zhuǎn)軸)通過(guò)輪軸(在輪軸套內(nèi))進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)的角度可以通過(guò)主尺與微尺讀出。

3 地軸進(jìn)動(dòng)演示效果與定量測(cè)量原理

3.1 觀察剛體定向轉(zhuǎn)動(dòng)

調(diào)平衡重物,使系統(tǒng)的重心通過(guò)支點(diǎn),即調(diào)成水平平衡狀態(tài)。左手握橫桿使其保持水平狀態(tài),右手開(kāi)啟電機(jī)使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng),然后松手,就可以觀察到轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向始終保持不變狀態(tài)。

3.2 觀察進(jìn)動(dòng)

調(diào)節(jié)平衡重物的位置,使系統(tǒng)重心不通過(guò)支點(diǎn),即整個(gè)系統(tǒng)對(duì)支點(diǎn)軸重力矩不為零,為此,儀器就會(huì)朝一側(cè)略微傾斜。左手握橫桿使其保持水平狀態(tài),右手開(kāi)啟電機(jī)使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng),松手后,可觀察到轉(zhuǎn)輪自轉(zhuǎn)的同時(shí),其自轉(zhuǎn)軸(橫梁)還會(huì)繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng),通常該種現(xiàn)象被稱為進(jìn)動(dòng)。

3.3 定量測(cè)量原理

則可以計(jì)算出,橫梁4(地軸)進(jìn)動(dòng)一周所需要的恒星年數(shù)為

天文學(xué)家已經(jīng)測(cè)試出,地軸進(jìn)動(dòng)一周需要25 800年,為了驗(yàn)證該結(jié)論的正確性,我們可以通過(guò)(2)式的計(jì)算結(jié)果,來(lái)與之相比。

4 結(jié) 論

該實(shí)驗(yàn)儀的創(chuàng)新點(diǎn)在于,帶動(dòng)轉(zhuǎn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的固定與供電方法,顯示進(jìn)動(dòng)速度刻度盤主、副尺的固定方法設(shè)計(jì),平衡錘大小、形狀設(shè)計(jì),以及沿橫梁移動(dòng)與固定等。該演示儀器還有待于改進(jìn)的巨大空間,進(jìn)而通過(guò)定性與定量實(shí)驗(yàn)結(jié)合,以便達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

[1] 丁堯堅(jiān).地軸進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)的近似計(jì)算[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),1990(2):29-33.

[2] 沈黃晉.物理演示實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:科學(xué)出版社,2009(8):16-17.

[3] 王志軍,倪牟翠,何越,等.質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)定地磁場(chǎng)強(qiáng)度[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013(5):78-80.

Precession Demonstration of the Earth’s Axis and Quantitative M easuring Experiment Instrument

ZHANG Rui-bo
(Zhejiang University,Zhejiang Hangzhou 310015)

It describes the precession of natural phenomena,the drawbacks of traditional demonstration instrument,introduces the improved precession instrument structure,each part of the name and meaning,and introduces its experimental content and innovation.

precession of the earth’s axis;improve;production;structure;principle;quantitative measurement;experiment content

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.024

1007-2934(2015)06-0081-02

2015-07-02

杭州市重中之重學(xué)科