地軸進動演示與定量測量實驗儀

張銳波

(浙江大學城市學院,浙江杭州 310015)

地軸進動演示與定量測量實驗儀

張銳波

(浙江大學城市學院,浙江杭州 310015)

論述了地軸進動演示與定量測量實驗儀的結(jié)構(gòu)、各部位名稱及物理含義;介紹了演示的自然現(xiàn)象,以及定量測量原理與測量公式推導;討論了采用該實驗儀進行定量測量思路、實驗內(nèi)容和創(chuàng)新知識點。

地軸進動;改進;制作;結(jié)構(gòu);原理;定量測量;實驗內(nèi)容

進動(precession)是自轉(zhuǎn)物體之自轉(zhuǎn)軸又繞著另一軸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,又被稱作旋進[1-3]。在天文學上被稱為“歲差“現(xiàn)象。

“陀螺”是日常生活中進動的一個明顯范例,若陀螺不自轉(zhuǎn)時,就會在重力作用下倒在地上,但是若陀螺自轉(zhuǎn)時,其自轉(zhuǎn)軸不會是鉛直的,而是圍繞其鉛垂線作旋轉(zhuǎn),即“旋進”現(xiàn)象,地球的自轉(zhuǎn)類似于陀螺自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生旋進[1-3]。本課題就是研制一地球進動演示儀,用來模擬地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進動的現(xiàn)象。

1 地軸進動的自然現(xiàn)象原理

地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)一周所確定的平面是黃道平面,垂直于黃道平面的軸被稱為黃軸;地球赤道平面的無限延伸為天赤道平面,地球自轉(zhuǎn)軸的無限延伸稱為天軸。天文學已經(jīng)證實地球自轉(zhuǎn)軸與黃軸間的夾角即黃道平面與赤道平面的夾角,均為23°26'。在黃道球面坐標系中,由于地球自轉(zhuǎn)軸是傾斜的,加之地球本身也并非正球體,由于太陽和月亮對地球正反面隆起部分的差別引力作用,有自轉(zhuǎn)軸被“扶正”的趨勢,即地球的赤道平面會傾向于黃道平面,地球的自轉(zhuǎn)軸同步傾向于黃軸。由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抗力,就會阻止地球自轉(zhuǎn)軸被扶正的可能性,而是保持與垂直線有一定的角度(即黃赤夾角23°26′)不變,使之地球自轉(zhuǎn)軸圍繞黃軸旋進(又稱進動),自轉(zhuǎn)軸的進動掃過一個圓錐面,進動周期為26 000年左右。如圖1為地軸進動受力分析圖。

圖1 地軸進動受力分析圖

2 改進后的地軸進動儀各部位名稱與物理含義

2.1 傳統(tǒng)地軸進動儀結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)地軸進動演示儀的自轉(zhuǎn)園環(huán)都是通過手動使之轉(zhuǎn)動,由于其在轉(zhuǎn)動過程中要受到阻力作用,無法直接為系統(tǒng)均勻補給能量,其轉(zhuǎn)動速度就會不斷地減速,圓環(huán)勻速轉(zhuǎn)動沒有辦法實現(xiàn),最終將會漫漫停下來。這種演示儀也難以實現(xiàn)赤道平面(圓圈所在平面)與黃道平面(垂直于鉛垂線的水平面)的恒定夾角不變,其演示效果就可想而知了。

2.2 改進后的地軸進動實驗儀結(jié)構(gòu)名稱

地軸演示實驗儀改進后的實物圖各部位名稱:(1)底座;(2)立柱;(3)主尺;(4)輪軸與輪軸套;(5)橫梁支點軸;(6)輪軸;(7)橫梁;(8)轉(zhuǎn)輪;(9)電機;(10)光電門固定套;(11)電機固定套;(12)游標桿固定套;(13)升降游標桿;(14)游標尺;(15)電源;(16)平衡錘滑套;(17)平衡錘。如圖2所示。

圖2 地軸進動實驗儀的改進實物圖

2.3 改進后進動儀各部位連接與物理含義

電源采用24 V蓄電池,接通電源,電機帶動轉(zhuǎn)輪(代表地球或赤道)轉(zhuǎn)動,橫梁(代表地球自轉(zhuǎn)軸)通過輪軸(在輪軸套內(nèi))進動,進動的角度可以通過主尺與微尺讀出。

3 地軸進動演示效果與定量測量原理

3.1 觀察剛體定向轉(zhuǎn)動

調(diào)平衡重物,使系統(tǒng)的重心通過支點,即調(diào)成水平平衡狀態(tài)。左手握橫桿使其保持水平狀態(tài),右手開啟電機使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動,然后松手,就可以觀察到轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動方向始終保持不變狀態(tài)。

3.2 觀察進動

調(diào)節(jié)平衡重物的位置,使系統(tǒng)重心不通過支點,即整個系統(tǒng)對支點軸重力矩不為零,為此,儀器就會朝一側(cè)略微傾斜。左手握橫桿使其保持水平狀態(tài),右手開啟電機使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動,松手后,可觀察到轉(zhuǎn)輪自轉(zhuǎn)的同時,其自轉(zhuǎn)軸(橫梁)還會繞豎直軸轉(zhuǎn)動,通常該種現(xiàn)象被稱為進動。

3.3 定量測量原理

則可以計算出,橫梁4(地軸)進動一周所需要的恒星年數(shù)為

天文學家已經(jīng)測試出,地軸進動一周需要25 800年,為了驗證該結(jié)論的正確性,我們可以通過(2)式的計算結(jié)果,來與之相比。

4 結(jié) 論

該實驗儀的創(chuàng)新點在于,帶動轉(zhuǎn)圈轉(zhuǎn)動電機的固定與供電方法,顯示進動速度刻度盤主、副尺的固定方法設(shè)計,平衡錘大小、形狀設(shè)計,以及沿橫梁移動與固定等。該演示儀器還有待于改進的巨大空間,進而通過定性與定量實驗結(jié)合,以便達到預期的實驗效果。

[1] 丁堯堅.地軸進動和章動的近似計算[J].阜陽師范學院學報,1990(2):29-33.

[2] 沈黃晉.物理演示實驗教程[M].北京:科學出版社,2009(8):16-17.

[3] 王志軍,倪牟翠,何越,等.質(zhì)子旋進磁力儀測定地磁場強度[J].大學物理實驗,2013(5):78-80.

Precession Demonstration of the Earth’s Axis and Quantitative M easuring Experiment Instrument

ZHANG Rui-bo
(Zhejiang University,Zhejiang Hangzhou 310015)

It describes the precession of natural phenomena,the drawbacks of traditional demonstration instrument,introduces the improved precession instrument structure,each part of the name and meaning,and introduces its experimental content and innovation.

precession of the earth’s axis;improve;production;structure;principle;quantitative measurement;experiment content

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.024

1007-2934(2015)06-0081-02

2015-07-02

杭州市重中之重學科