傅科摆实验
傅科摆实验
才旺顿珠、贺闽捐
一、傅科简介
1819年,让·傅科生于巴黎。傅科从小喜欢动手做试验,最初傅科学习的是医学,
后来才转行学习物理学。1862年,傅科使用旋转镜法成果的测定了光速为289 000km/s,
这是当时相当了不起的成绩,因此他被授予了骑士二级勋章。此外,傅科还在实验物理
方面做出了一些贡献。例如改进了照相术、拍摄到了钠的吸收光谱(但是解释是由基尔霍
夫做出的)。
傅科 傅科摆实验的第二年,即1852年,他制造出了回转仪(陀螺仪)--也就是现代航空、军事领域使用的惯性制导装置的前身。此外,他还发现了在磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流,这被命名为"傅科电流"。当然,不能忘记的是傅科摆实验,因为这个非常简单的演示了地球自转现象的实验,傅科获得了荣誉骑士五级勋章。
二、历史背景
1616年伽利略接受罗马教廷的审判,当他被迫承认 地心说 的时候,有人记载说,伽利略喃喃自语道:"可是地球仍然在动啊!"伽利略是否说过这句话已经不可靠,按理说后人杜撰的成分比较大。很难想象有人听见了伽利略低声说出的"异端"言论,并且把它记录了下来,更何况当时伽利略已经神志不太清醒。圣经说大地是不动的;而地球是存在自转和公转。那么,一个问题是,如何观察到地球的运动--比如自转呢?
时间回溯到1851年的巴黎。在国葬院(法兰西共和国的先贤祠)的大厅里,
让·傅科(Jean Foucault)正在进行一项有趣的实验。傅科在大厅的穹顶上悬挂了
一条67米长的绳索,绳索的下面是一个重达28千克的摆锤。摆锤的下方是巨大的
沙盘。每当摆锤经过沙盘上方的时候,摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨 迹。按照日常生活的经验,这个硕大无比的摆应该在沙盘上面画出唯一一条轨迹。
国葬院 该实验被评为"物理最美实验"之一。
实验开始了,人们惊奇的发现,傅科设置的摆每经过一个周期的震荡,在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹(准确地说,在这个直径6米的沙盘边缘,两个轨迹之间相差大约3毫米)。"地球真的是在转动啊",有的人不禁发出了这样的感慨。
截止到2013年,巴黎国葬院中依然保留着150年前傅科摆实验所用的沙盘和标尺。不仅仅是在巴黎,在世界各地你都可以看到傅科摆的身影,例如,你可以在北京天文馆看到一个傅科摆的复制品。 三、实验目的
为了证明地球在自转,法国物理学家傅科(1819-1868)于1851年做了一次成功的摆动实验,傅科摆由此而得名。实验在法国巴黎先贤祠最高的圆顶下方进行,摆长67米,摆锤重28公斤,悬挂 点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。这种摆惯性和动量大,因而基本不受地球自转影响而自行摆动,并且摆动时间很长。
在傅科摆试验中,人们看到,摆动过程中摆动平面
沿顺时针方向缓缓转动,摆动方向不断变化。分析
这种现象,摆在摆动平面方向上并没有受到外力作
用,
按照惯性定律,摆动的空间方向不会改变,因而可
知,这种摆动方向的变化,是由于观察者所在的地
球
沿着逆时针方向转动的结果,地球上的观察者看到
相对运动现象,北京天文馆大厅里就有一个巨大的
傅科摆,时时刻刻提醒人们,地球在自西向东自转
着。无论我们认为地球是绕自身轴旋转,或者认为
是恒星绕地球旋转而地球处于静止,这都是无关紧
北京天文馆傅科摆 要的。
四、实验原理
悬挂方法:折叠摆的运动可以超然于地球的自转,但悬挂摆的支架一般却要带动它参与地球的自转。为解决这一问题,傅科采取了一种简单而巧妙的装置-万向节(如图),从而使摆动平面超然于地球的自转。
1851年在巴黎万神殿的圆拱屋顶上悬挂一个长约67米的大单摆,发现在摆的过程中,摆动平面不断作顺时针方向的偏转,从而证明地球是在不断自转。
地球自西向东旋转,其角速度的方向沿地轴指向北极(Z轴,如图
1
所示)。处于北半球某点的运动物体速度方向(如图
2
所示),那么该物体所受的科里奥利力的表达式为:
科里奥利力
生偏转。 的方向垂直于一个平面,这个平面是由和的方向所组成的平面,所以垂直于, 使发
傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。在地球的两极,傅科摆的摆动平面24小时转一圈,而在赤道上,傅科摆没有方向旋转的现象;在两极与赤道之间的区域,傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。傅科摆在地球的不同地点旋转的速度不同,说明了地球表面不同地点的线速度不同,因此,傅科摆还可以用于确定摆所处的纬度。
傅科使用了如此巨大的摆是有道理的。由于地球转动的比较缓慢(相对摆的周期而言),需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异。又因为空气阻力的影响,这个系统必须拥有足够的机械能(一旦摆开始运动,就不能给它增加能量)。所以傅科选择了一个28千克的铁球作为摆锤。此外,悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动。傅科正是因为做到了这三点,才能成功地演示出地球的自转现象。
五、历史影响
傅科摆,时时刻刻提醒人们,地球在自西向东自转着。无论我们认为地球是绕自身轴旋转,或者认为是恒星绕地球旋转而地球处于静止,这都是无关紧要的。
不论是在自然界、生活中、或在军事等领域,科里奥利力在很多方面都扮演者重要的角色。
在自然界中:气流涡旋的形成便是空气在向气压中心运动时受到科里奥利力的作用偏离了直线运动轨迹,从而旋转着向低压中心运动,形成了涡旋。而在南北半球,由于受到科里奥利力作用方向不同,北半球是逆时针的,南半球则相反。在北半球河流由于受到科里奥利力的作用也会对右岸产生更强的侵蚀作用。
在生活中:由于科里奥利力的影响,北半球的双轨铁路由于右侧受到更大的压力,导致右轨的磨损程度明显大于左轨。同样,傅科摆也可以用科里奥利力来解释:傅科摆是科里奥利力在摆动中的表现。 在北半球安置的傅科摆, 在每次摆动时均偏右, 致使摆动平面沿顺时针方向转动。 在南半球则与之相反。
在军事中:由于竖直方向上的运动也会受到科里奥利力的作用,自由落体的物体落地点会偏东,而竖直上抛的物体则会偏西。因此在炮弹的投掷或发射中应当考虑到这一因素的影响。
次外,在地质构造运动中,科里奥利力也是有着一定影响的。例如:据前人研究,在断层错动中会产生科里奥利应力。而对于断层错动产生的科里奥利法向应力是否会影响到主震地震矩的释放,目前并没有定论。因此这也需要我们这些后继者继续努力,去做进一步的研究,发现更多的科学奥
秘。
当然,科里奥利力对我们的影响并不仅仅局限于此,在更广阔的领域我们都能看到它的作用。也还有很多人们还不知道的需要我们不断探索研究,取得更多的发现。