自制傅科擺的可行性探究

1851年，法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科在大廳拱頂懸掛了一個(gè)擺長(zhǎng)67米、擺球重28千克的巨大單擺。觀察發(fā)現(xiàn)，單擺每次擺動(dòng)的方向都會(huì)稍稍偏離原軌跡，沿順時(shí)針?lè)较蚓従忁D(zhuǎn)動(dòng)，從而有力地證明了地球在自轉(zhuǎn)。這套實(shí)驗(yàn)裝置被稱為“傅科擺”，這一實(shí)驗(yàn)也被評(píng)為“物理最美實(shí)驗(yàn)”之一，如圖1。

今年暑假，我在北京天文館見(jiàn)證了傅科擺的神奇，于是也想制作一個(gè)屬于自己的傅科擺。想法很簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻十分不易：一是家里的屋頂不夠高，擺長(zhǎng)最長(zhǎng)只有3米；二是找不到足夠重的擺球，只能用不銹鋼球代替。

不過(guò)，這并沒(méi)有打消我的熱情，還讓我多了一分好奇 ：在有限的條件下，這個(gè)“物理最美實(shí)驗(yàn)”能成功嗎？擺球的擺動(dòng)方向會(huì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)嗎？

一、實(shí)驗(yàn)器材

在家長(zhǎng)和老師的幫助下，我花了好幾天時(shí)間，終于將實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備齊全，包括不銹鋼水管卡箍、U形卡槽、軸承、螺桿、激光頭、微型鋰電池、不銹鋼球、釣魚(yú)線、空心螺桿等，如圖2。

二、制作過(guò)程

1.制作萬(wàn)向節(jié) ：當(dāng)年，為了最大程度地降低摩擦力的影響，傅科在鋼索的懸掛點(diǎn)使用了一個(gè)特殊的萬(wàn)向節(jié)，如圖3。于是，我仿照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)了一個(gè)類似結(jié)構(gòu)的萬(wàn)向節(jié)，如圖4。

2.制作擺球：將激光頭和微型鋰電池連接通電后，放入不銹鋼球的內(nèi)孔中，如圖5。用紅色激光作為指示，這樣能更直觀地記錄擺球擺動(dòng)軌跡的偏轉(zhuǎn)角度。

3.連接擺線：把萬(wàn)向節(jié)固定在陽(yáng)臺(tái)的晾衣桿上，選擇合適長(zhǎng)度的釣魚(yú)線，線的上端捆綁在軸承的凹槽上，如圖6，下端通過(guò)空心螺桿與不銹鋼球連接，如圖7。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.狀態(tài)初始化

待擺球自然靜止后，將一張標(biāo)有角度盤的紙板放在擺球下方，使角度盤的中心點(diǎn)與激光光斑重合。

2.擺球起擺

為了排除外力不均對(duì)擺球軌跡的影響，確保激光的光斑軌跡每次都通過(guò)角度盤中心，我在擺球的空心螺桿上拴了一根棉線，沿角度盤0°方向往外輕拉擺球（確保激光光斑在角度盤外沿5厘米以外），將棉線的另一端拴在一根固定的柱子上。待擺球完全靜止后，用火燒斷棉線，擺球自由擺動(dòng)，如圖8。

3.記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我選取直徑40毫米的不銹鋼球作為擺球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很不明顯：一是擺動(dòng)時(shí)間較短，有效擺動(dòng)時(shí)間只有9分鐘；二是擺動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)不明顯，小于1°。

于是，我果斷調(diào)整方案，選取直徑60毫米的不銹鋼球作為擺球，重復(fù)進(jìn)行了5次擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)，取平均值。這次的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯：有效擺動(dòng)時(shí)間約35分鐘，擺動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)了3°。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論分析

根據(jù)傅科擺偏轉(zhuǎn)公式 =15 sin （其中 為偏轉(zhuǎn)角度， 為有效擺動(dòng)時(shí)間， 為所在地緯度），長(zhǎng)沙地區(qū)所在緯度約為北緯28°，那么35分鐘（約0.58小時(shí)）的理論偏轉(zhuǎn)角度為15×0.58×sin28°≈4.1°。

我的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為3°，小于理論值。我分析認(rèn)為，這可能是擺線較短、擺球較輕、萬(wàn)向節(jié)的摩擦力較大等多個(gè)原因?qū)е隆ｋm然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有偏差，但依然可以驗(yàn)證傅科擺的偏轉(zhuǎn)原理，說(shuō)明地球在自轉(zhuǎn)。

在家長(zhǎng)和老師的指導(dǎo)下，我成功復(fù)刻了“物理最美實(shí)驗(yàn)”。從準(zhǔn)備器材到動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，每一步都充滿了挑戰(zhàn)。雖然屢遭挫折，但這是第一次由我主導(dǎo)的科學(xué)探索之旅，我體驗(yàn)到了前所未有的成就感。

指導(dǎo)老師 陳梓楠 李穎涵

專家點(diǎn)評(píng)

戴安琪同學(xué)憑借自己的努力和創(chuàng)造力，廣泛搜集實(shí)驗(yàn)器材，歷經(jīng)設(shè)計(jì)、制作和實(shí)驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，成功驗(yàn)證了傅科擺的偏轉(zhuǎn)原理。文章清晰地展示了整個(gè)制作過(guò)程，詳細(xì)記錄了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了合理分析，展現(xiàn)了她對(duì)未知的好奇、對(duì)科學(xué)的濃厚興趣和勇于探索的精神，這些品質(zhì)在科學(xué)學(xué)習(xí)和實(shí)踐探究中非常寶貴。