教科書背后的故事

于鵬翔

汽車到底動沒動？

現(xiàn)在請你閉上眼，在腦海中進(jìn)行一場思維實(shí)驗(yàn)吧。想象我們在一輛封閉的、行駛起來非常平穩(wěn)的車中，我們給這輛車取名為“超級汽車”。因?yàn)檐噹忾]，所以坐在車?yán)锏哪憧床坏酵饷?。開始時你和車都是靜止的，然后車非常平順地啟動了。但在行進(jìn)過程中，司機(jī)駕駛的車會左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，加速或者減速。此時你一定能感受到車子的運(yùn)動，因?yàn)檐囎又灰D(zhuǎn)向、變速，它原來的狀態(tài)就會被改變，而乘客原本相對于車靜止的狀態(tài)也會被改變。作為乘客，你會保持原本的運(yùn)動趨勢，這樣說來，汽車右轉(zhuǎn)的時候，你的身體向左傾斜，就是因?yàn)樵疚覀兊纳眢w就有向左運(yùn)動的趨勢，突然車子右轉(zhuǎn)，我們的身體因?yàn)閼T性還會在原本向左的運(yùn)動狀態(tài)上再保持一段時間。而所謂慣性就是保持你原來狀態(tài)的力量，比如騎車時，你突然停止蹬車，但車子仍然能夠滑行一段，這就是因?yàn)閼T性使車子保持了原來的運(yùn)動狀態(tài);你跑步時，突然停下來，上身會不由自主地前傾，這也是慣性的作用。這樣說來，汽車右轉(zhuǎn)的時候，我們的身體向左傾，就是因?yàn)樵疚覀兊纳眢w是靜止的，車子突然右轉(zhuǎn)，我們的身體因?yàn)閼T性還會在原本靜止?fàn)顟B(tài)時的位置上保持一段，所以相對向右運(yùn)動的車子來說，我們的身體就是向左的。

過了一會兒，我們的超級汽車駛?cè)肓硗庖粭l車道，開始平穩(wěn)地行駛，沒有加速，沒有減速，沒有轉(zhuǎn)彎，也沒有震動。此時你還能感受到汽車在動嗎？閉上眼睛想象一下坐在車?yán)锏母惺埽遣皇巧碓谄渲蟹路痨o止一般？因?yàn)榇藭r汽車在做平穩(wěn)的勻速運(yùn)動，沒有受到額外的力的影響，所以我們在車內(nèi)也因?yàn)闆]有外力影響，而感受不到汽車的運(yùn)動。

地球的運(yùn)動狀態(tài)就與平穩(wěn)運(yùn)行的超級汽車相似：地球的自轉(zhuǎn)不會突然加速、減速，也不會顛來顛去。與我們設(shè)想的超級汽車唯一不同的就是：地球不是走直線而是在轉(zhuǎn)圈。這時候你可能會說：不對呀，轉(zhuǎn)圈的時候我們還會額外感受到一個把我們甩出去的力，就像在公園玩轉(zhuǎn)盤時那樣。沒錯，由于地球是旋轉(zhuǎn)的，身處其中的我們的確會受到一種向外的力。不過，地球轉(zhuǎn)圈的速度很慢——自轉(zhuǎn)一周需要一天的時間。所以，即使生活在距地軸最遠(yuǎn)、受這種力最大的赤道附近，你所受到的這種向外的力也不過1～2牛頓（“牛頓”是表示力量大小的單位），大約是你拿起200毫升礦泉水所需的力量。這么小的力量對我們的影響幾乎可以忽略不計，我們還是會被更大的地心引力牢牢地固定在地球表面，與地球一起平穩(wěn)地轉(zhuǎn)圈。這時，沒有外力的變化來使我們判斷出自己的運(yùn)動狀態(tài)，我們也就感受不到地球的運(yùn)動了。那我們怎么知道地球在運(yùn)動呢？

證明地球在運(yùn)動

除了通過受力判斷運(yùn)動狀態(tài)，我們還有什么其他方法嗎？現(xiàn)在，我們再回到超級汽車上。之前，這輛超級汽車的車廂是封閉的，現(xiàn)在我們覺得這個車廂待起來很不舒服，于是我們給它設(shè)置幾扇窗戶。透過車窗，我們能看到外面的風(fēng)景，那么根據(jù)外面的景物，我們是不是就能判斷汽車是否在運(yùn)動了？當(dāng)車窗外的樹靜止時，我們知道汽車也是靜止的;當(dāng)車窗外的樹向后運(yùn)動時，說明我們的車在向前奔馳。在物理學(xué)中，我們把這棵樹稱為參照物。通過參照物我們就可以知道自己的運(yùn)動狀態(tài)了。

假如這時我們旁邊突然駛來另一輛車，我們叫它“2號超級汽車”，2號車現(xiàn)在在我們的窗外行駛，它的方向、速度與我們這輛車都一樣，那以2號車為參照物，你還能判斷我們的運(yùn)動狀態(tài)嗎？恐怕此時你真的會迷糊了：我們所在的車到底是不是在動呢？因?yàn)榕赃叺?號車和我們的狀態(tài)一樣，我們動它也動，我們不動它也不動。所以如果以和我們狀態(tài)一樣的2號車為參照物，我們是無法判斷自己的運(yùn)動狀態(tài)的。

還是回到地球上，我們在地球之外能找到合適的參照物嗎？這次比較幸運(yùn)了，我們現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)我們能看見的和地球運(yùn)動狀態(tài)一模一樣的“2號地球”。我們眼睛能看到的地球外的物體都有自己的運(yùn)動狀態(tài)。這樣一來，我們就可以憑借它們來確定地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動了。最明顯的就是太陽和月亮的升落。

不過，你可能又有一個疑問：既然日月星辰都在運(yùn)動，那為什么除了太陽和月亮，天上的其他星星看上去都像靜止的？其實(shí)天上的星星都在運(yùn)動，只是我們沒有為它們定位參照物，所以很難發(fā)現(xiàn)它們的運(yùn)動而已。如果你在建筑物附近的星空中鎖定一顆星星，用不了一會兒就會發(fā)現(xiàn)它在遠(yuǎn)離或靠近建筑物，這樣就能發(fā)現(xiàn)星星的移動了。

我們注意不到星星的運(yùn)動，還有一個原因就是我們眼睛的“錯覺”。我們的眼睛大概能看到前方160°的角度。你在眼前輕輕揮一下手，一瞬間你就能看到手劃過你的面前。要是遠(yuǎn)處有一架飛機(jī)飛過，它就需要更久的時間才能飛出你的視野。飛機(jī)的速度比你揮手的速度快得多，只是因?yàn)樗x我們的距離更遠(yuǎn)，所以我們感覺它運(yùn)動得更慢。由此看來，離我們更遠(yuǎn)的日月星辰在我們視野中的運(yùn)動速度就更慢了。

在人的視野里，一個物體的角速度（單位時間內(nèi)走過的角度）越小，看上去運(yùn)動得就越慢

泄露“天機(jī)”的傅科擺

除了在地球之外尋找參照物，我們在地球上還有其他途徑來證明地球的自轉(zhuǎn)嗎？早在十九世紀(jì)，法國物理學(xué)家萊昂·傅科就發(fā)明了一種方法。傅科最早是學(xué)醫(yī)的，但他由于暈血，很快就放棄了醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)向物理學(xué)。他曾經(jīng)測量過光速，發(fā)現(xiàn)了渦電流，還給陀螺儀取了名字。而現(xiàn)在他最為人熟知的成就就是發(fā)明了傅科擺。當(dāng)年，物理學(xué)的鼻祖伽利略就研究過擺動現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)在擺動幅度小于10°的情況下，擺的運(yùn)動周期只與擺線的長度有關(guān)。后來，人們由此發(fā)明了擺鐘。

傅科擺模型圖

1851年，傅科在巴黎先賢祠最高的拱頂下方垂下一根67米長的鋼索，鋼索的另一端懸掛著一顆28千克重的擺錘，擺錘的下方是巨大的沙盤。每當(dāng)擺錘經(jīng)過沙盤上方的時候，擺錘上的指針就會在沙盤上留下運(yùn)動的軌跡。在實(shí)驗(yàn)中，人們看到在傅科擺擺動過程中，擺動平面會沿順時針方向緩緩轉(zhuǎn)動，而擺動方向不斷變化。按照日常生活經(jīng)驗(yàn)，這個碩大無朋的擺在沙盤上應(yīng)該只能畫出唯一一條軌跡。但實(shí)驗(yàn)開始后，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，傅科設(shè)置的擺每經(jīng)過一個周期的振蕩，在沙盤上畫出的軌跡都會偏離原來的軌跡，幾個周期下來，就能形成一個花瓣?duì)畹倪\(yùn)動軌跡圖。于是這個實(shí)驗(yàn)也被稱為“最美物理實(shí)驗(yàn)”?？吹竭@個實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人們不禁要問：單擺擺動不應(yīng)該形成一條直線軌跡嗎？怎么會出現(xiàn)花瓣?duì)钴壽E？其實(shí)這就是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)形成了一種慣性力，即地轉(zhuǎn)偏向力，所以才使本來沿直線運(yùn)動的單擺出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)，形成花瓣?duì)钴壽E。此外，傅科擺的擺動還與緯度有關(guān)，緯度越高，傅科擺的擺動速度越快，在赤道上，幾乎觀察不到它的擺動現(xiàn)象。

如果你去北京天文館的A展館，一進(jìn)門就能見到一個巨大的傅科擺，它在不停地向人們展示著地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。

了解了牛頓的慣性定律、參照物的作用，以及傅科擺的最美物理實(shí)驗(yàn)，地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動在我們眼中不再神秘。接下來請你再思考：假如地球停止轉(zhuǎn)動，這個世界會發(fā)生什么呢？答案下期揭曉！