傅科摆 第1期

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最美的实验

今天，我们都知道“日心说”，知道地球在自转，这再正常不过。但是，400多年前，布鲁诺却因此受火刑，伽利略因此入狱。不仅仅是因为《圣经》中充满地球中心论，也不仅仅是迫于教皇强大的压力，因为他们拿不出强有力的证据――那时的科学家是通过天文观测得出“地球在自转”的结论。难道没有实验能证明吗?不，法国实验物理学家让・伯纳德・利昂・傅科(1819-1868)做了一个美丽的物理实验――“傅科摆”实验。

1851年，巴黎先贤祠大厅。在众目睽睽之下，傅科从大厅的穹顶上悬下一根长67米的铁绳，铁绳下面系着一个28千克的摆锤，摆锤下方放着一个直径6米的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方时，摆锤上的指针就会在沙盘上留下运动的轨迹。他设想：当摆锤摆动时，在没有外力的作用下，它将保持固定的摆动方向，轨迹是一条直线；如果地球在转动，那么摆锤下方的地面就将旋转，而悬在空中的摆锤具有保持原来摆动方向的趋势，对于观察者来说，摆锤的摆动方向将会相对于地面发生变化，轨迹将是曲线。

实验开始后，人们惊奇地发现，摆锤的运动平面在1小时内改变了11度多，每经过一个周期(约32小时摆动一圈)的振荡，在沙盘上新画出的轨迹都会偏离原来的轨迹。实验结果与傅科的设想完全吻合，摆锤的摆动显示为由东向西的、缓慢而持续的旋转。傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转，所以人们称呼实验中的摆锤为“傅科摆”，当时的法国政府还向傅科颁发了荣誉骑士五级勋章，以表彰他的科学贡献。

后来人们发现，傅科摆放置的位置不同，摆动情况也不同。在北半球时，摆动平面是顺时针转动；在南半球时，摆动平面是逆时针转动，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，公式中用的是15。

“摆”在你面前

“傅科摆”对实验器材要求很高，单纯地“复制”难度不是一般的大。但是，日常生活中你也能见着“傅科摆”的影子，只不过幻化出许多模样。

1962年，美国麻省理工学院的A.谢皮罗教授在拔掉澡盆底部的塞子时，无意中发现，水在流入下水道口的时候，形成了一个漩涡。多次实验后，他注意到漩涡的方向是逆时针方向。水仿佛受到一股神秘力量的推动。日本“3・11大地震”时，海面上就产生了巨型逆时针漩涡。漩涡的方向其实就是受地球自转影响。当某一物体静止时，因为惯性，应该与地球保持一致的运动。水池里的塞子拔掉后，静止的水开始运动。微观上，它的运动方向是竖直向下；宏观上，它得随着地球的自西向东运动而运动。受两种力的影响，水便以逆时针方向运动，当然这是在北半球，在南半球漩涡是顺时针。

如果是自西向东的河流，北半球河流的右岸往往比左岸陡峭；而南半球河流的左岸比右岸陡峭，反之亦然。这也是地球自转的一个见证。地球的自转导致水流发生偏转，水流偏转的这一边受冲刷的影响就大一些，日复一日，冲刷的效果就出来了。

地球表面不同纬度地区受光照影响而温度不同，从而影响大气流动，在地球表面沿纬度方向形成了一系列气压带，在这些气压带压力差的驱动下，空气会沿着经度方向发生移动。但是受地球自转影响，在北半球大气流动会向左偏转，南半球大气流动会向右偏转，比如原本正南北向的大气流动变成东北一西南或东南－西北向的大气流动。

你也可以模拟一下地球自转的影响。用纸板做一个圆盘，把圆盘的中心固定起来，使它能够转动；把直尺放在圆盘上，随便取什么方向都行；然后让铅笔紧靠直尺的边沿前进。这时笔尖在圆盘上留下的痕迹是一条直线。现在让圆盘转动起来，重复前面的操作，笔尖在圆盘上会留下怎样的痕迹呢?

看不见的力

在傅科摆试验中，摆锤不受任何影响的话，应该是在一个平面内运动，但是受到科里奥利力后，地面上的人就看到摆锤在旋转了。这个科里奥利力实际上是不存在的，是法国气象学家科里奥利在1835年提出的，目的是为了描述旋转体系(傅科摆实验中地球就是一个旋转体系)的运动。