地球自轉如何證明?傅科拿出56斤大擺錘說讓我來

1851年1月3日,法國巴黎的先賢祠人頭攢動,著名物理學家傅科將要在眾人面前展示一個物理實驗,而實驗的目的則是證明:“我們腳下的地球是在時刻轉動著的”。

地球自轉如何證明?傅科拿出56斤大擺錘說讓我來

傅科

實驗並不複雜,核心器材只有一根繩子,下面繫著一顆擺錘,而擺錘下面則放有一個沙盤,擺錘是用來擺動的,同時擺錘下的指針會在沙盤上留下運行痕跡。唯一令人吃驚的是這些器材都是非常“巨大”:繩子長67米、擺錘重28公斤(也就是56斤)、沙盤的直徑達到了6米。

而傅科唯一要做的就是,讓這個擺錘從一側落下,擺動起來,讓它在沙盤上留下運動痕跡,之後的一切就交給地球和時間了。按照常理,這個擺錘的運動應該是直來直去的(也就是說,它在沙盤上留下的痕跡都應該在同一條直線上),但隨著時間的推移,人們吃驚的發現,沙盤上竟然慢慢的出現了多條軌跡!

地球自轉如何證明?傅科拿出56斤大擺錘說讓我來

這說明了什麼?那就是地球在轉動啊!可能有讀者有疑問了,出現多條軌跡不是說明擺錘除了單面擺動之外,還發生了其它方向的偏移嗎?怎麼和地球自轉關聯上了?下面我們就來通俗的介紹一下這個實驗背後的原理。

開頭實驗說到的那個大擺被稱為“傅科擺”(這名稱就是為了紀念傅科),實際上就是一個放大版的單擺,因此我們就以單擺為例來說明這個實驗。

我們將單擺上的細線一端在支架上繫牢,然後將下面的擺錘拉到一側,從一定擺角處釋放(注意細繩必須拉直),顯而易見這個單擺將會擺動起來,而且還是在一個平面內擺動(如果下面放上一個沙盤,那麼單擺留下的軌跡將是在同一條直線上),這是慣性導致的必然結果。

但傅科擺實驗中,為什麼擺錘的軌跡會逐漸偏移逐漸增多呢?很簡單,一定是支架(地球),或者單擺(大擺錘)這兩者出現了問題。

既然剛才已經說了單擺的運動必須是在一個平面內,那麼顯而易見問題出現在了支架上,如果支架也在轉動,那麼問題就迎刃而解了。而這樣的結論如果應用在傅科擺身上,那麼結論就是地球在轉動。

比如下面的動圖

地球自轉如何證明?傅科拿出56斤大擺錘說讓我來

紅線和紅點代表繩子和擺錘,而不斷增多的綠線則是擺錘在沙盤上留下的痕跡,而這一切背後的原因就是那個轉動這的框子。(那個轉動的框子就是代表了地球在轉動)

當然啦,這裡咱們並沒有考慮到空氣阻力和繩子頂部摩擦的因素,否則單擺將會隨著時間推移,擺動幅度變的越來越小;而繩子因為要與支架連接,必然這兩者在擺動時會產生力的作用,從而導致軌跡變化。

而這些因素我們得想辦法將其帶來的負面影響降到最低。於是傅科就將繩子、擺錘的長度和重量放大,一來可以將軌跡的細微變化更明顯的展現出來,二來也能將空氣阻力的影響降到最低;至於繩子和支架的連接問題,傅科則是在先賢祠房頂上裝了一個萬向節,這樣一來繩子和支架的影響就很小了。

地球自轉如何證明?傅科拿出56斤大擺錘說讓我來

實際上這個實驗從相對運動的角度考慮,則非常容易理解。首先觀眾、先賢祠、地球,這三者是相對靜止的,而傅科擺是時刻擺動著,這時地上出現了眾多不同的軌跡,直觀上著好像就是因為傅科擺產生其它方向的偏移所致,但實際上由於慣性,傅科擺的擺動面一直是不變的,那麼這隻能說明:地球在自轉。

讓我們將時間再次往前推移三百多年,來看一看為什麼傅科的這一實驗能引起那麼大的轟動,而且最終還被咱們現代人選作十大最美物理實驗的行列中。

地球自轉如何證明?傅科拿出56斤大擺錘說讓我來

1543年,哥白尼的《天體運行論》終於出版,雖然歷經種種困難,但日心說的學說卻終於由此逐漸走上正軌。而在此之前,地心說一直統治了人們的思想觀念長達數千年,它認為地球是全宇宙的中心,天上的太陽、月亮,以及眾多其它星星都是圍繞著地球進行運動。

而日心說卻認為太陽才是中心,我們的地球則是繞著太陽進行公轉(這就很容易的解釋了地心說中關於行星本輪週期的問題),而地球不但一邊公轉,還在一邊自轉,這對於天體的週日運動也有了簡單的解釋(比如太陽每天的東昇西落等等)

地球自轉如何證明?傅科拿出56斤大擺錘說讓我來

雖然日心說提出了咱們的地球是在自轉,但一直沒有相關的實驗能夠直接的證實地球真的是在自轉,雖然在傅科之前也有科學家設計過其它的證明實驗,但都是因為不夠直觀不夠明顯,並且對實驗環境的要求也較為苛刻,從而沒有被大眾所廣泛的認可。

但傅科做到了,他用簡單的實驗,在大眾面前直觀清晰的證明了:咱們腳底下的地球是在轉動著的。

本篇文章的內容到此結束。

謝謝各位閱讀!

以後還會不斷更新精心準備的通俗科普長文


分享到:


相關文章: