中國(guó)科學(xué)技術(shù)館之傅科擺

邵航

地球每時(shí)每刻都在進(jìn)行著公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)給我們帶來了春夏秋冬，自轉(zhuǎn)讓我們擁有了白晝與黑夜。不過，一直到400多年前，人們還堅(jiān)信地球是宇宙的中心。天文學(xué)家哥白尼經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)20多年的觀測(cè)和計(jì)算，推翻了當(dāng)時(shí)權(quán)威的“地心說”，建立了“日心說”。哥白尼告訴我們，地球的形狀是球形，而且在不斷地進(jìn)行公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。那么，用什么辦法可以觀察到地球的自轉(zhuǎn)呢？

在1851年的法國(guó)，一個(gè)叫傅科的物理學(xué)家做了一個(gè)非常有趣的實(shí)驗(yàn)，證明地球確實(shí)在自轉(zhuǎn)。傅科在巴黎國(guó)葬院大廳的穹頂上懸掛了一根67米長(zhǎng)的繩索，繩索的下端掛著一個(gè)重達(dá)28千克的擺錘，擺錘的下方是巨大的沙盤。每當(dāng)擺錘經(jīng)過沙盤上方的時(shí)候，擺錘上的指針就會(huì)在沙盤上面留下運(yùn)動(dòng)的軌跡。按照日常生活的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)碩大的擺應(yīng)該在沙盤上面畫出唯一的一條軌跡。然而，實(shí)驗(yàn)開始后，觀看實(shí)驗(yàn)的人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，傅科設(shè)置的擺每經(jīng)過一個(gè)周期的震蕩，在沙盤上畫出的軌跡就會(huì)偏離原來的軌跡一定角度，擺動(dòng)過程中擺動(dòng)平面在沿順時(shí)針方向緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)。

我們知道，對(duì)于一般的單擺，如果擺在擺動(dòng)平面方向上沒有受到外力作用，擺動(dòng)的空間方向是不會(huì)改變的。使用這樣的擺有一個(gè)前提，就是不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響。傅科用的擺有兩點(diǎn)是非常特殊的：一是擺線非常長(zhǎng)，這樣便于顯示出軌跡的差異；二是擺錘的重量非常大，以減少空氣阻力的影響，保證擺在不增加外力的情況下能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)的過程中，擺動(dòng)方向的變化是由于地球沿著自西向東方向轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，從而有力地證明了地球是在自轉(zhuǎn)。正是由于偉大的傅科演示出了這個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，因此這種可以證明地球自轉(zhuǎn)的擺被稱為“傅科擺”。

如果把傅科擺分別放在地球的南極、北極和赤道上，擺動(dòng)的軌跡會(huì)有什么變化呢？在中國(guó)科學(xué)技術(shù)館二層“探索與發(fā)現(xiàn)”A廳就有這樣一個(gè)展項(xiàng)，名字叫“傅科擺”。站在大大的傅科擺模型面前，你一定要有足夠的耐心，仔細(xì)觀察，等待三段時(shí)間后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)的平面在緩緩地轉(zhuǎn)動(dòng)。它的旁邊還細(xì)觀察，等待一段時(shí)間后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)的平面在緩緩地轉(zhuǎn)動(dòng)。它的旁邊還有三個(gè)小模型，演示了傅科擺在南極、北極和赤道上的擺動(dòng)情況。由于地球自西向東自轉(zhuǎn)，在北極觀察時(shí)，地球按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此擺動(dòng)平面按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，在南極觀察，擺動(dòng)平面按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)；而在赤道上，傅科擺的擺動(dòng)方向沒有任何改變。