什么是傅科摆,它是如何证明地球自转的?

作者: 方晨

来源: 《科学世界》2022年第8期

发布日期: 2022-08-04 18:30:45

本文介绍了傅科摆的原理和如何通过它证明地球自转。傅科摆通过在巴黎先贤祠大厅的演示,直观地展示了地球自转的现象。文章详细解释了摆锤在不同纬度的偏转情况,以及如何通过摆锤的缓慢偏转来确认地球的自转。

每一天,地球自转一圈。这是大家都知道的常识。但是对于身处地球的我们而言,究竟要怎样才能确认地球在自转呢?在1851年时,许多人已经由于天体的运动等而相信地球在自转。但是,当时关于地球自转还没有得到确切的直接证据。于是,法国科学家让·傅科(Jean Foucault,1819~1868)在巴黎先贤祠大厅的穹顶上垂下了长达67米的钢索,钢索下端悬挂了重达28千克的巨大摆锤。

这个摆锤在公众的面前缓缓偏转,直观地表明了地球的自转。从此,这类摆便被称作傅科摆。一般来说,摆锤并没有受到改变摇摆方向的力,那么无论过多长时间,摇摆的方向都不应变化。那么,为什么在傅科的演示中,摆锤的摇摆方向会慢慢地顺时针偏转呢?其实,这并不是摆在旋转,而是观察摆锤运动的人们在和地面一同旋转。理应沿着固定的方向摆动的摆锤在旋转,正是地球在自转的证据。让我们设想一下在北极有一个摆。

那么观察者在一天内就会逆时针旋转360°,所以摆锤的摇摆方向也就会在一天时间内看上去顺时针旋转360°。在赤道上的情况又是如何呢?由于观察者只在赤道上运动,本身朝向不发生变化(垂直于地面的轴不发生旋转),因此不会看到摆的旋转。纬度介于两者之间的地方,观察者朝向的变化会比两极更小,摆锤的偏转速度也会变小。也就是说,一天内,傅科摆偏转的角度因纬度不同而不同,纬度越高偏转越大。

傅科演示的场所位于纬度较高的巴黎(北纬49°),条件正合适。摆锤摇摆方向的变化十分缓慢,因此需要让摆锤长时间摆动才能看出变化。首先,钢索很长的话,便可以让摇摆速度变慢。这样,空气阻力的影响就会变小。此外,加重摆锤(密度增大)也可以减小空气阻力的影响,从而削弱空气运动(风)在实验中的影响。基于这些原因,傅科摆需要巨大的摆锤。在天文馆、科技馆等地经常会展示傅科摆,大家可以去实地感受一下地球的自转。

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