全部答案

2018-11-16 11:11:17

•   证明地球转动的摆
   柯南 
  三百多年以前伽利略接受罗马教廷的审判，当他被迫承认地
  心说的时候，有人记载说，伽利略喃喃自语道:“可是地球仍然
  在动啊!”伽利略是否说过这句话已经不可考，按理说后人杜撰
  的成分比较大。
    很难想象有人听见了伽利略低声说出的“异端”
  言论，并且把它记录了下来，更何况当时伽利略已经神志不太清
  醒。圣经说大地是不动的;而现在，即使是小学三年级的学生也
  知道地球存在自转和公转。
    那么，一个问题是，如何观察到地球
  的运动--比如自转呢?
   150年前的实验
   时间回溯到1851年的巴黎。在国葬院(法兰西共和国的先贤
  祠)的大厅里，让·傅科(Jean Foucault)正在进行一项有趣
  的实验。
    傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条67米长的绳索，绳索的
  下面是一个重达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，这个硕大无朋的摆应该在沙盘
  上面画出唯一一条轨迹。
    
   国葬院外观
   实验开始了，人们惊奇的发现，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都会偏离原来的轨迹(准确地说，
  在这个直径6米的沙盘边缘，两个轨迹之间相差大约3毫米)。
    
  “地球真的是在转动啊”，有的人不禁发出了这样的感慨。
   关于1851年傅科摆实验的版画，注意沙盘上画出的痕迹
  自转和惯性
   傅科的这个摆的是一个演示地球自转的实验。
    这种摆也因此
  被命名为“傅科摆”。傅科摆为什么能够演示出地球自转呢?。
  简单的说，因为惯性。
   通常，我们说“地球具有自转”的时候，我们并没有明确出
  它到底相对于什么自转。
    这是一个非常重要的问题，如果没有参
  照物，谈论运动是不可想象的。还没有办法在空间中打上一根钉
  子作为绝对的参照物，因此，我们只能依靠较远的、看起来似乎
  是静止的天体作为参照物。事实上，那些天体也绝不是“空间中
  的钉子”，只不过因为它们实在太遥远了，我们不妨--事实上
  恐怕也是唯一的选择--把它们作为参照物。
    以遥远的恒星作为
  参照物，一个物体不受外力作用的时候，将一直保持它的运动状
  态。这也是牛顿第一定律的内容。
   摆是一种很有趣的装置。给摆一个恰当的起始作用，它就会
  一直沿着某一方向，或者说某一平面运动。
    如果摆的摆角小于5
  度的话，摆锤甚至可以视为做一维运动的谐振子。
   现在，考虑一种简单的情况，假如把傅科摆放置在北极点上，
  那么会发生什么情况呢?很显然，地球在自转--相对于遥远的
  恒星自转。
    同样，由于惯性，傅科摆的摆锤相对于遥远恒星的运
  动方向(平面)是不变的。(你可以想象，有三颗遥远的恒星确
  定了一个平面，而傅科摆恰好在这个平面内运动。由于惯性，当
  地球以及用来吊起摆锤的架子转动的时候，摆锤仍然在那个平面
  内运动)那么什么情况发生了呢?你站在傅科摆附近的地球表面
  上，显然会发现摆动的平面正在缓缓的转动，它转动的速度大约
  是钟表时针转动速度的一半，也就是说，每小时傅科摆都会顺时
  针转过15度。
    
   摆在同一平面内运动，这里所说的平面是由远方的恒星确定的
   如果把傅科摆放置赤道上呢?那样的话，我们将观察不到任
  何转动。把摆锤的运动看做一维谐振(单摆)，由于它的运动方
  向与地轴平行，而地轴相对遥远的恒星是静止的，所以我们观测
  不到傅科摆相对地面的转动。
    
   现在把傅科摆移回巴黎。摆锤的运动可以分解为沿地轴方向
  的和与之垂直方向上的两个分运动。后者会产生相对地面的旋转
  (正如北极的傅科摆)。这两个分运动合成的结果是，从地面上
  的人看来，傅科摆以某种角速度缓慢的旋转--介于傅科摆在北
  极和赤道的角速度之间。
    (也可以从科里奥利力的角度解释，得
  出的结论是一样的)如果在北极的观测到傅科摆旋转一周的时间
  是A(A=24h)，那么在任意纬度γ上，傅科摆旋转一周所需的时
  间是A/sinγ。对于巴黎，这个数字是31。
    8小时。
   傅科的巧手
   1819年，让·傅科生于巴黎。傅科从小喜欢动手做试验，最
  初傅科学习的是医学，后来才转行学习物理学。1862年，傅科使
  用旋转镜法成果的测定了光速为289 000km/s，这是当时相当了
  不起的成绩，因此他被授予了骑士二级勋章。
    此外，傅科还在实
  验物理方面做出了一些贡献。例如改进了照相术、拍摄到了钠的
  吸收光谱(但是解释是由基尔霍夫做出的)。傅科摆实验的第二
  年，即1852年，他制造出了回转仪(陀螺仪)--也就是现代航
  空、军事领域使用的惯性制导装置的前身。
    此外，他还发现了在
  磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流，这被命名为“傅科
  电流”。当然，不能忘记的是傅科摆实验，因为这个非常简单的
  演示了地球自转现象的实验，傅科获得了荣誉骑士五级勋章。
    
   傅科使用了如此巨大的摆是有道理的。由于地球转动的比较
  缓慢(相对摆的周期而言)，需要一个比较长的摆线才能显示出
  轨迹的差异。由因为空气阻力的影响，这个系统必须拥有足够的
  机械能(一旦摆开始运动，就不能给它增加能量)。
    所以傅科选
  择了一个28千克的铁球作为摆锤。此外，悬挂摆线的地方必须允
  许摆线在任意方向运动。傅科正是因为做到了这三点，才能成功
  地演示出地球的自转现象。
   国葬院大厅的傅科摆(示意图)
   现在，巴黎国葬院中依然保留着150年前傅科摆实验所用的
  沙盘和标尺。
    不仅仅是在巴黎，在世界各地你都可以看到傅科摆
  的身影，例如，你可以在北京天文馆看到一个傅科摆的复制品。
    
   法国巴黎国葬院的大厅
   当你有机会凝视这个缓慢转动着的傅科摆的时候，是否也会
  像伽利略--或者150年前观看傅科摆实验的观众那样--发出
  由衷的赞叹:“地球真的是在转动啊!”。

  全部
  

  一***

  2018-11-16 11:11:17

  0 0 评论

  分享
  提交评论