对“看得见的地球自转”一文的探讨

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《物理教学》2012年第5期刊登了“看得见的地球自转”一文，文中首先介绍了傅科摆实验，然后写到：

现在，我们做两个类似于傅科摆的实验.

实验一 取直径为50 cm的白色搪瓷面盆1只.用特种铅笔，在面盆边缘沿顺时针方向每隔30°做一标记，将其12等分，分别为0°、30°、60°、90°……

为了防止外界振动和干扰，将盛满清水的面盆置于底楼的水泥地面上.

取一张吹塑纸，用刀片剪裁成宽0.1 cm～0.2 cm、长8 cm的纸条.将吹塑纸条浮于面盆水面上，两端平稳地指向0°和180°.为防止风吹和外界影响，可在面盆上盖一薄板.经过3 h～4 h，轻轻打开薄板，你会惊奇地发现，吹塑纸条沿顺时针方向“转过”一个角度.由于面盆随着地表逆时针方向转动，而浮于水面的吹塑纸条并没有转动，其指示的转动角度，恰恰验证了地球的自转.

实验二 将一把钥匙挂在细长的线的下端，固定细线的另一头，然后，在正好能接触钥匙尖的地方放一个水平沙盘，将钥匙拉开一定的角度后放手让它自由摆动，匙尖会在沙盘上画出它的运动轨迹.

一开始是一条直线，一段时间以后，这条线会偏转一定的角度，成为一个对称的扇形.随着时间的推移，偏转的角度越来越大，每小时大约偏转15度，恰好是地球自转的角速度.

以上是“看得见的地球自转”一文介绍的两个实验.我们阅读后，感觉从物理原理上讲，这两个实验就是不可能实现的，于是对这两个实验进行了仔细观察.

实验一的观察：在学校食堂找到一个大面盆，直径约80 cm，装水后将吹塑纸条放在水面中央，用有机玻璃将面盆盖上，紧闭门窗.等到第二天来观察，发现吹塑纸条相对于地面已经处于静止，此时记下吹塑纸条的方位.之后每过四小时来观察一次（夜间除外），连续观察了两天，没有发现吹塑纸条发生任何方向的旋转.

地球表面的水以及上方的大气都应该随着地球自转，吹塑纸条放在水面上，它的质量跟它排开的水的质量是相等的，也应该随着地球自转，所以在地面上不可能观察到吹塑纸条的旋转.假设水不随地球自转，占地球表面积百分之七十的海洋是一种什么样的状态？假设大气不随着地球自转，那么我国上方的空气等12小时就漂移到美国去了，美国上方的空气就移动到我国上方来了，这岂不是天大的笑话.

实验二的观察：用3.3 m长的细线将一串钥匙悬挂在天花板上，正下方放置沙盘，将钥匙拉开0.5 m后由静止释放，发现振动时间只能够维持5 min左右，在沙盘上画出的线条转动方向毫无规律，这是因为钥匙尖端受到沙的作用力不对称造成的.根本看不到“每小时大约偏转15°”的现象.从傅科摆的摆动平面旋转的周期公式T=T自sinθ（T自为地球自转的周期，θ为傅科摆所在处的纬度）来看，即使钥匙做理想的摆动，其摆动平面转动的角速度也不应该跟地球的自转角速度相同，只有在地球的南极和北极二者才是相同的.

将钥匙换为6 kg重的铅球，细线换为3 m长的细钢丝，悬挂点的结构跟傅科摆相同，不用沙盘.使摆球在竖直平面内摆动，其持续的时间约为5 h.几十次实验后发现摆动平面的旋转方向是不确定的（每次摆球的起始位置不同，同一起始位置旋转方向是确定的），旋转速度大大超过了地球的自转速度.这显然不是地球的自转因素引起的.本人认为，实验不成功的原因是摆线太短、摆球太轻造成的.

究竟能否看见地球的自转呢？我们对水的漩涡方向进行观察，实验很成功，具体做法如下：将直径约为80 cm的面盆底部中央安装一个泄水管，将阀门关闭之后灌满水，水面撒一些细小漂浮物，盖上有机玻璃.经过24小时之后漂浮物相对于地面已处于静止.此时快速打开阀门，水从泄水管流出.在开始一段时间内，漂浮物是不旋转的，后来才是逐渐旋转起来，旋转方向是逆时针的.水快流完时，可见到明显的漩涡，旋转的速度跟通常见到的漩涡相比要慢得多.这种现象证明了地球存在自转运动.将饮水桶底部挖一个大孔后倒过来做同一实验，看不到此现象.

在暴雨期间，我们观察了自然界中水的旋涡方向发现：面积很大的池塘泄水管处形成的漩涡方向都是逆时针的，面积很小的池塘泄水管处形成的漩涡方向是不确定的，跟上游流进池塘的水流方向有关.3.4 求导方法

如图5所示，设小球在A处时，与竖直方向的夹角为θ，经一段时间，小球与竖直方向的夹角增为β.该过程中，水平拉力所做的功为

参考文献：

[1]天利全国高考命题研究中心，北京天利考试信息网.2012年全国各省市高考试题汇编全解.人民出版社，2012，7第三版.