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中国科学技术馆之傅科摆
文图 邵航
地球每时每刻都在进行着公转和自转.公转给我们带来了春夏秋冬,自转让我们拥有了白昼与黑夜.不过,一直到400多年前,人们还坚信地球是宇宙的中心.天文学家哥白尼经过长达20多年的观测和计算,推翻了当时权威的“地心说”,建立了“日心说”.哥白尼告诉我们,地球的形状是球形,而且在不断地进行公转和自转.那么,用什么办法可以观察到地球的自转呢？
在1851年的法国,一个叫傅科的物理学家做了一个非常有趣的实验,证明地球确实在自转.傅科在巴黎国葬院大厅的穹顶上悬挂了一根67米长的绳索,绳索的下端挂着一个重达28千克的摆锤,摆锤的下方是巨大的沙盘.每当摆锤经过沙盘上方的时候,摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹.按照日常生活的经验,这个硕大的摆应该在沙盘上面画出唯一的一条轨迹.然而,实验开始后,观看实验的人们惊奇地发现,傅科设置的摆每经过一个周期的震荡,在沙盘上画出的轨迹就会偏离原来的轨迹一定角度,摆动过程中摆动平面在沿顺时针方向缓缓转动.
我们知道,对于一般的单摆,如果摆在摆动平面方向上没有受到外力作用,摆动的空间方向是不会改变的.使用这样的摆有一个前提,就是不考虑地球自转的影响.傅科用的摆有两点是非常特殊的：一是摆线非常长,这样便于显示出轨迹的差异；二是摆锤的重量非常大,以减少空气阻力的影响,保证摆在不增加外力的情况下能进行长时间摆动.在实验的过程中,摆动方向的变化是由于地球沿着自西向东方向转动的结果,从而有力地证明了地球是在自转.正是由于伟大的傅科演示出了这个有趣的实验,因此这种可以证明地球自转的摆被称为“傅科摆”.
如果把傅科摆分别放在地球的南极、北极和赤道上,摆动的轨迹会有什么变化呢？在中国科学技术馆二层“探索与发现”A厅就有这样一个展项,名字叫“傅科摆”.站在大大的傅科摆模型面前,你一定要有足够的耐心,仔细观察,等待一段时间后就会发现,摆动的平面在缓缓地转动.它的旁边还有三个小模型,演示了傅科摆在南极、北极和赤道上的摆动情况.由于地球自西向东自转,在北极观察时,地球按逆时针旋转,因此摆动平面按顺时针方向转动；反之,在南极观察,摆动平面按逆时针方向转动；而在赤道上,傅科摆的摆动方向没有任何改变.
（本栏目合作单位：中国科学技术馆）
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