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生活中的物理学
1.3.26 傅科摆
傅科摆

1819年,让·傅科生于法国巴黎一个出版商家庭。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测定了光速为289000千米/秒。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。为了证明地球在自转,傅科于1851年做了一次成功的摆动实验,傅科摆由此而得名。如果在地球的北极(或南极)竖起一个巨大的支架,在支架上挂一个大摆钟,当摆钟摆动起来后就会看到摆钟的摆动面发生转动,其实,这并不是摆的转动,而是观测者跟随地球转过了一个角度,摆本身是不会自动转动的。

有一次,傅科在家里做单摆实验观测单摆的摆动。过了几个小时傅科忽然觉得单摆的摆动方向发生了变化,原来正对自己的单摆变成斜对自己了。按照牛顿动力学,物体只有受到外界作用力后,才能发生运动方向的改变。单摆的摆动方向为什么会发生变化?傅科苦苦地思索研究,最终提出单摆方向的改变是由于地球自转的原因!这是一个大胆的推断。他反复进行演算:北极的一个大摆,由于观测者及支架均发生自转,看上去摆动面也会发生反方向的偏转。每天地球自转一周,因此每小时摆的摆动方向要改变15°。而在赤道上,由于摆线方向与地轴垂直,因此地球的自转不会影响摆的摆动方向。而在地球的不同纬度上,单摆的摆动方向均要发生一定程度的改变。1851年,傅科终于成功设计了这样一个大摆,摆线长为67米,并安装在巴黎国葬院(法兰西共和国的先贤祠)的大厅顶部。通过它的摆动,让人们“看到了”地球的自转。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。该实验被评为“物理最美实验”之一。由于地球转动相对摆的周期而言比较缓慢,需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异。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。所以傅科用了67米长的线为摆线,质量28千克的铁球作为摆锤。

北京天文馆大厅里就有一个巨大的傅科摆,摆长约10米,摆动周期为6秒,如果连续观察,将会看到单摆的摆动平面在转动,这正是地球自转引起的。它时时刻刻提醒人们,地球在自西向东自转着。