傅科摆是怎么一回事?

傅科摆是怎么一回事?
傅科摆是怎么一回事?

傅科摆是怎么一回事?
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.实验在法国巴黎的一个圆顶大厦进行,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.在傅科摆实验中,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,从而有力地证明了地球是在自转.傅科摆放置的位置不同,摆动情况也不同.在北半球时,摆动平面顺时针转动；在南半球时,摆动平面逆时针转动,而且纬度越高,转动速度越快；在赤道上的摆几乎不转动.傅科摆摆动平面偏转的角度可用公式θ°=15tsinφ来求,单位是度.式中φ代表当地地理纬度,t为偏转所用的时间,用小时作单位,因为地球自转角速度1小时等于15°,所以,为了换算,公式中乘以15.
北京天文馆大厅里也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,这都是无关紧要的.
——马赫
[编辑本段]证明地球转动的摆
傅科
三百多年以前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考,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；而现在,即使是小学三年级的学生也知道地球存在自转和公转.那么,一个问题是,如何观察到地球的运动——比如自转呢?
150年前的实验
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,这个硕大无朋的摆应该在沙盘上面画出唯一一条轨迹.
国葬院外观
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.
[编辑本段]傅科摆的悬挂方法
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.
[编辑本段]自转和惯性
傅科的这个摆的是一个演示地球自转的实验.这种摆也因此被命名为“傅科摆”.傅科摆为什么能够演示出地球自转呢?简单的说,因为惯性.
通常,我们说“地球具有自转”的时候,我们并没有明确出它到底相对于什么自转.这是一个非常重要的问题,如果没有参照物,谈论运动是不可想象的.还没有办法在空间中打上一根钉子作为绝对的参照物,因此,我们只能依靠较远的、看起来似乎是静止的天体作为参照物.事实上,那些天体也绝不是“空间中的钉子”,只不过因为它们实在太遥远了,我们不妨——事实上恐怕也是唯一的选择——把它们作为参照物.以遥远的恒星作为参照物,一个物体不受外力作用的时候,将一直保持它的运动状态.这也是牛顿第一定律的内容.
摆是一种很有趣的装置.给摆一个恰当的起始作用,它就会一直沿着某一方向,或者说某一平面运动.如果摆的摆角小于5度的话,摆锤甚至可以视为做一维运动的谐振子.
现在,考虑一种简单的情况,假如把傅科摆放置在北极点上,那么会发生什么情况呢?很显然,地球在自转——相对于遥远的恒星自转.同样,由于惯性,傅科摆的摆锤相对于遥远恒星的运动方向（平面）是不变的.（你可以想象,有三颗遥远的恒星确定了一个平面,而傅科摆恰好在这个平面内运动.由于惯性,当地球以及用来吊起摆锤的架子转动的时候,摆锤仍然在那个平面内运动）那么什么情况发生了呢?你站在傅科摆附近的地球表面上,显然会发现摆动的平面正在缓缓的转动,它转动的速度大约是钟表时针转动速度的一半,也就是说,每小时傅科摆都会顺时针转过15度.
摆在同一平面内运动,这里所说的平面是由远方的恒星确定的
如果把傅科摆放置赤道上呢?那样的话,我们将观察不到任何转动.把摆锤的运动看做一维谐振（单摆）,由于它的运动方向与地轴平行,而地轴相对遥远的恒星是静止的,所以我们观测不到傅科摆相对地面的转动.
现在把傅科摆移回巴黎.摆锤的运动可以分解为沿地轴方向的和与之垂直方向上的两个分运动.后者会产生相对地面的旋转（正如北极的傅科摆）.这两个分运动合成的结果是,从地面上的人看来,傅科摆以某种角速度缓慢的旋转——介于傅科摆在北极和赤道的角速度之间.（也可以从科里奥利力的角度解释,得出的结论是一样的）如果在北极的观测到傅科摆旋转一周的时间是A（A=24h）,那么在任意纬度γ上,傅科摆旋转一周所需的时间是A/sinγ.对于巴黎,这个数字是31.8小时.
[编辑本段]傅科的巧手
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.
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.由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.
国葬院大厅的傅科摆（示意图）
现在,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.
法国巴黎国葬院的大厅
当你有机会凝视这个缓慢转动着的傅科摆的时候,是否也会像伽利略——或者150年前观看傅科摆实验的观众那样——发出由衷的赞叹：“地球真的是在转动啊!

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。实验在法国巴黎的一个圆顶大厦进行，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。在傅科摆实验中，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...

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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。实验在法国巴黎的一个圆顶大厦进行，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。在傅科摆实验中，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，从而有力地证明了地球是在自转。傅科摆放置的位置不同，摆动情况也不同。在北半球时，摆动平面顺时针转动；在南半球时，摆动平面逆时针转动，而且纬度越高，转动速度越快；在赤道上的摆几乎不转动。傅科摆摆动平面偏转的角度可用公式θ°=15tsinφ来求，单位是度。式中φ代表当地地理纬度，t为偏转所用的时间，用小时作单位，因为地球自转角速度1小时等于15°，所以，为了换算，公式中乘以15。
北京天文馆大厅里也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，这都是无关紧要的。
——马赫

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