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        驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的傅科擺實(shí)驗(yàn)

        2016-04-04 08:05:44中國科學(xué)院國家天文臺(tái)郭紅鋒
        軍事文摘 2016年14期
        關(guān)鍵詞:擺錘擺線單擺

        ◎文/圖 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 郭紅鋒

        驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的傅科擺實(shí)驗(yàn)

        1851年,法國物理學(xué)家傅科為了驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn),在巴黎的一個(gè)大廳里做了一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)。他用一根長(zhǎng)67米的繩子和一個(gè)重28公斤的擺錘,在一個(gè)巨大的沙盤上空擺動(dòng)。擺錘下面是尖的,擺動(dòng)時(shí)就會(huì)在沙盤上劃出擺線。

        很多人屏住呼吸觀看,過了一段時(shí)間,擺錘劃的擺線真的慢慢偏轉(zhuǎn)了!在場(chǎng)的人們不禁驚呼起來:地球真的轉(zhuǎn)動(dòng)了(見圖1)!

        這個(gè)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)單擺的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。單擺就是用一根細(xì)長(zhǎng)的線(ι)吊著一個(gè)重錘,使重錘在一個(gè)很小的角度(θ小于5°)下擺動(dòng)。如果不加外力,根據(jù)單擺定理,擺動(dòng)的方向(擺動(dòng)面)應(yīng)該保持初始方向不變(見圖2)?,F(xiàn)在,擺線方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn),這充分說明大地(地球)在旋轉(zhuǎn)。

        圖1 傅科的實(shí)驗(yàn)

        圖2 單擺原理圖

        圖3 北京天文館里的傅科擺

        傅科的實(shí)驗(yàn)條件符合單擺定理?xiàng)l件(繩子很長(zhǎng),擺動(dòng)角度很小,幾乎不受外力),所以當(dāng)擺錘在沙盤上劃的線偏轉(zhuǎn)時(shí),人們相信這是地在轉(zhuǎn)動(dòng)。傅科的實(shí)驗(yàn)令人信服地證實(shí)了地球自轉(zhuǎn)的事實(shí),被后人評(píng)價(jià)為史上最完美的十大物理實(shí)驗(yàn)之一。傅科做的擺也被人們稱作傅科擺。

        現(xiàn)在,全世界很多天文館和科技館里都有精美的傅科擺展示給觀眾。北京天文館里也有一個(gè)傅科擺(見圖3)。

        動(dòng)手做個(gè)傅科擺

        學(xué)習(xí)了傅科擺的故事,你受到什么啟發(fā)了嗎?原來科學(xué)家并不是聽到什么就信什么,而是要做實(shí)驗(yàn)去證實(shí)的。既然傅科能做一個(gè)擺來證實(shí)地球自轉(zhuǎn),天文館里也有人做出一個(gè)跟傅科一樣的擺。你能不能也做一個(gè)簡(jiǎn)易的擺,看看它是不是有偏轉(zhuǎn),來簡(jiǎn)單驗(yàn)證一下地球的轉(zhuǎn)動(dòng)呢?如果成功了,不僅能幫助你像科學(xué)家一樣打開思路,拓寬視野,還能激發(fā)你更多的探究熱情和夢(mèng)想!

        為了做好實(shí)驗(yàn),我們需要準(zhǔn)備一些器材:

        1. 一根細(xì)而長(zhǎng)且又結(jié)實(shí)的線,最好是釣魚用的尼龍線;

        2. 擺錘或者沙袋(見圖4、圖5);

        3. 地面畫線的水筆。

        圖4 擺錘

        圖5 沙袋

        傅科擺的實(shí)驗(yàn)過程

        1. 用細(xì)線把擺錘系住;

        2. 把擺錘吊在高處;

        3. 在擺錘下面劃上十字交叉線;

        4. 用手輕輕捏住擺錘,沿十字線的某個(gè)方向拉開,輕輕松手使之?dāng)[動(dòng);

        5. 觀察并記錄擺動(dòng)起始時(shí)間和停止時(shí)間,并記錄擺動(dòng)偏轉(zhuǎn)角度(與十字線偏離的角度)。

        小鏈接:國家天文臺(tái)里的傅科擺實(shí)驗(yàn)

        看看同學(xué)們?cè)趪姨煳呐_(tái)大廳里做的傅科擺實(shí)驗(yàn)過程吧:

        1) 用普通包裝繩把重物掛在頂棚的橫梁上,擺錘的重量是1100克(是把3個(gè)鐵秤砣綁在一起),吊點(diǎn)據(jù)地面高度是5米(繩長(zhǎng)4.8米);

        2) 在地面鋪上一張白紙,并畫出十字線;

        3) 順著一條十字線輕輕拉開擺錘約0.4米的距離,輕輕放開手,讓它自己擺起來;

        4) 擺錘一共擺了約14分鐘,才慢慢停了下來,可以看到擺動(dòng)角度有明顯的偏轉(zhuǎn)(見圖6、圖7)。

        圖6 國家天文臺(tái)傅科擺實(shí)驗(yàn)—初始位置

        同學(xué)們,你能自己在家里或?qū)W校做一個(gè)傅科擺實(shí)驗(yàn)嗎?請(qǐng)把你的實(shí)驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)寄給我們,大家一起分享成功驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的喜悅吧!

        圖7 國家天文臺(tái)傅科擺實(shí)驗(yàn)—擺動(dòng)偏轉(zhuǎn)

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