地球真的在自转啊——米歇尔#183;傅科摆实验——“最美丽”的十大物理实验之四，本文主要内容关键词为：十大论文,最美丽论文,之四论文,米歇尔论文,物理实验论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”是毛主席诗词中的一句，写得极有气魄又很有科学道理。这“坐地日行八万里”是怎么来的呢？原来，这与地球的自转运动有关。在科技高度发达的今天，似乎没有谁还会不知道地球在绕太阳公转的同时，还在以它的自转轴为轴自西向东不停地自转着。但是历史上人们对地球自转的认识经历了一个长期的过程。关于地球动静的问题，曾经历了长期的争论。不论是古希腊还是我国古代，都有两种对峙的观点：地静说和地动说。到了16世纪时，近代天文学奠基人哥白尼首先从理论上论证，“天旋”是由于“地转”。他用几何方法严格地证明：“天比地大，其大无比”，如果让庞大无比的天穹，在24小时内绕小小的地球旋转一周，那是令人无法思议的。伽利略也指出“如果有人认为，为了使地球保持静止状态，整个宇宙应当转动，是不合理的。”但是，此后相当长一段时间内地球自转的理论还是只能停留在让人们从主观上接受的水平，虽然经过长期的论证，人们对地球的自转运动已经深信不疑，但不少人还是企图通过实验证明地球的自转，以便进一步研究与之有关的许多自然现象。用什么方法能够证明地球的自转运动呢？英国物理学家胡克曾做过子弹从高处下落的实验，并证明了子弹的落点总要“落到通过垂直悬吊着的同样的子弹所求出的垂直点的东南方向”。1833年德国的莱西（F.Reich）也曾利用一个矿井做落体实验检验到了地球的自转。他在德国萨克森的弗莱伯选中了一个矿井，井深188米，莱西每一次都从井口的中心处使小球落下，但是每一次都观察到偏差，对106次独立的观测得到的结果求平均值得到的平均偏离为28毫米，方向是东偏南，这从另一侧面证实了地球的自传。但是，这些实验是无法直接向观众演示的，因为偏离过于微小，实验的初速度每次都是否竖直向下很难保证，再说气流的干扰会严重影响实验结果。直到19世纪，一位名叫傅科的法国人用他自己设计的一项实验，让人们亲自瞧着地球在做自转运动，这项实验便是目前被评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一的傅科摆实验。
在介绍傅科摆实验之前，先简单介绍一下傅科（Jean Bernard Leon Foucault，1819～1868），也许更有助于大家对这个实验的理解。1819年，傅科生于巴黎，从小喜欢动手做试验，早期学习医学，当过几年医生，后来由于对实验物理有着特殊的兴趣和爱好，才转向物理学的实验研究。他设计思路巧妙，制作工艺精湛，动手能力极强。天才般的思想加上长期不懈的勤奋努力，致使他在短暂的一生中，有过许多方面的发明创造，为实验物理学做出了重大的贡献。傅科曾经研究过用于天文摄影的照相术，对摆的运动和地球自转问题的兴趣，也正是起因于天文观察。为了控制望远镜系统的运动，使它能跟踪目标，傅科仿照17世纪惠更斯未曾实现的圆锥摆钟的设计方案，做了一台特殊的钟，他用一根钢棒支撑摆锤。在实验过程中他发现，当把钢棒夹在车床的卡子上，用手转动车床时，钢棒振动总是要维持它原来的振动平面，不随车床转动。这一奇妙的现象，引起了傅科极大的兴趣，对物理的敏锐直觉使他感觉这是一个很有价值的实验，接下来他联想到是不是可以用类似的方法，做一个演示来证明地球的自转。这个想法一直在他的脑海中萦绕了很久，经过深思熟虑和精心设计，后来傅科终于想到了一个简单而绝妙的办法证明了地球的自转。
实验的设计简单实用但的确精妙绝伦，演示的结果清晰明了，令人叹为观止，充分体现了物理的“简单、和谐、对称”之美。让我们把时空再转回到1851年的那个夏天，法国巴黎、国葬院的大厅。傅科在这里进行了一项非常有趣而意义非凡的实验，实验在当时就非常惹人瞩目，吸引了成千上万的人都赶来观看。傅科做实验时选用了直径为30厘米、重28千克的摆锤，摆长更是长达67米，摆由傅科亲自吊上，悬挂在大厅屋顶的中央，并且可以在任何方向自由摆动。摆锤的下面放有直径6米的巨大沙盘和启动栓，每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤下面的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹。实验开始后，围观的人们亲自看到了奇迹的发生，摆在他们的面前悄悄地产生了“移动”——沿着顺时针方向发生了旋转。摆每振动一次（周期为16.5秒），摆尖在沙盘边沿画出的路线就会移动约3毫米，每小时偏转11°20′，（即31小时47分回到原处）。有的人在摆动开始时，明明看到摆球在自己的面前荡来荡去，但经过一段时间以后，却发现摆动发生了明显的变化，摆球离自己越来越远。对于当时围观的人们来说，通过自己亲自的观测，都可以得出这么一个“简单”的道理：自己没有移动，那一定是摆平面发生了“移动”。就连在场的许多教徒也都目瞪口呆，有的甚至私下偷偷地说：“脚下的地球真的好像在转动啊！”
轰动巴黎的“傅科摆”实验是第一个能够向广大观众演示地球自转的实验，它生动而形象地证明了地球的自转，极大地促进了人们对科学的信任和热爱。傅科的这个演示地球自转的装置，也从此被命名为“傅科摆”。这个实验引起了人们极大的兴趣，在此后的两年中，世界上许多地方多次重复了该实验，有许多相关的文章发表。人们还发现在地球上不同的地方，摆动情况也不同。在北半球时，摆动平面顺时针转动；在南半球时，摆动平面逆时针转动；而且发现摆动平面转动的速率与当时的地理纬度有关。接下来人们的研究发现地球自转使地表水平运动物体产生偏转，北半球运动物体向右偏，南半球运动物体向左偏，偏转力的大小可用科里奥利力表示。这些工作从而使长期以来对河流、海洋这一类因地球自转有明显影响的现象研究，获得坚实的力学基础；同时还为研究地球上的气压带和风带（行星风系）的形成，气旋、反气旋和台风（热带气旋）的发生和发展，提供了力学基础；就是对于我们今天发射远程炮弹、火箭升空以及卫星上天等高科技的航天事业，依然具有理论的指导意义。
如今，在世界各地的演示实验室或者科学馆，根据巴黎的“傅科摆”的原理制作的小型或者微型的傅科摆向观众展示地球的自转运动。北京天文馆的大厅里就有一个傅科摆，一个系在圆穹顶上垂下的长长细线下端的金属球来回摆动着，下面是一个刻着度数的铁制大圆盘，人们可以由此读取摆动平面旋转的度数。有兴趣人们都喜欢在这里停留一段时间，亲眼看一看地球是怎样自转的。
利用傅科摆做实验时，在我们看来，傅科摆的摆动平面确实是发生了转动，这就可以简单地说明地球在自转吗？也许有人会问，能不能是地球没转而是傅科摆在转呢？答案是否定的，其根本的原因简单地说就是因为惯性。傅科摆沿顺时针改变摆动方向说明了地球在沿逆时针方向自转，这是由单摆的物理特性得出的结论。对于此问题前面已有所述（车床的钢棒振动），傅科也正是在这方面受了启发才想到怎么去设计傅科摆实验的。同样，傅科摆摆动起来以后并不改变摆动方向，然而我们站在沿逆时针方向转动的地球上，看不到地球的转动，所以看到的是傅科摆是沿顺时针方向不断地改变它的摆动方向。通常我们谈到运动的时候，还有一个问题是必须要考虑的，那就是如何选择参照物，离开了参照物空谈运动是根本不可能的。地球的体积相对于我们来说是如此之大，因此我们只能选择宇宙中的天体作为参照物，因为它们足够遥远，可近似看成是静止的。接下来就可以分析傅科摆的摆动平面和地球的运动了。傅科摆实际上是一只特大号的单摆，对于单摆，当给它一个恰当的起始作用时，由于惯性，它就会一直沿着某一平面运动。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（惯性定律）的内容。其实作为一种物质运动形式，摆是无法摆脱地球自转的。如果天空中的三颗恒星能够确定一个平面，而摆应在这个平面内摆动，那么由于惯性，它将一直在这个平面内摆动。知道了这一点，我们就不难分析，尽管摆动平面相对参照物是静止的，但在人们看来却发生了转动，是由于他们在地球上，每一个观测者都被地球带着运动，这说明摆动平面和地球发生了相对转动，进一步便证明了地球发生了自转。
是不是在地球的任何地方都可以观察到傅科摆摆动平面的转动呢？实事上并非如此，因为摆锤的运动可以看成一维谐振运动（因为摆线很长，摆角又很小），这样摆锤的运动轨迹就可近似地认为处在摆锤静止时在地球的投影点的切面上。在北极（南极）处，这个切面和地轴垂直，很容易便观察到摆动平面和地球的相对转动；但赤道处，这个切面和地轴是平行的，所以就无法再观察到相对转动了；在其他地方，摆锤的运动可以分解为沿地轴方向的和与之垂直的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。这就是在各地利用傅科摆实验观察地球的自转，所观察到的周期不同的缘故。理论和实验证明，傅科摆偏转的方向，因南北半球而不同，北半球右偏，南半球左偏；在两极，傅科摆的摆动平面转动一周需要24小时。如果某地的地理纬度是β，那么在该地傅科摆的转动周期就是24/β小时；对于北京这个时间约是37个小时。
图1 傅科摆实验原理图
1851年法国巴黎的“傅科摆”实验无疑是非常成功的，它的成功之处在于傅科在做这个实验时巧妙处理了几个关键性的问题。第一，他利用了很长的摆线，可以让摆动的时间足够长而便于观察；第二，他使用了质量很大的摆球，这是非常必要的，质量大可以增大惯性，在摆动开始的时候具有足够的机械能（因为实验过程中无法补充能量），并可以减少空气阻力带来的影响；第三，摆线可以在任意方向运动，这有利于保持摆动平面不变化。正是这三点精妙的处理才使得傅科成功的演示了地球的自转。利用这些简单实用的技巧，得到了很好的实验结果。这些物理思想——利用最简单的仪器和设备，发现最根本、最单纯的科学概念对于我们今天设计实验来说，仍然具有很好的启发性。如今，基于同一原理的各式傅科撰的设计更为精致和科学，为了补充因为空气摩擦而损失的能量，人们通过电磁相互作用来给运动的摆球补充能量，从而提高了实验的精度。人们对我们所赖以生存的地球的认识总是处在不断地深化与精化之中，每一天都有新的认识和发现，许多的奥妙被我们不断地揭示与理解，人们的认识的确是无穷尽的。
“傅科摆”实验充分体现了傅科的聪明才智，由于他以近乎完美的方式证明了地球的自转，由此，傅科被授予荣誉骑士五级勋章。然而这一成功并没有影响他在科学上前进的步伐，1852年他发明了回转仪，并发现了回转罗盘效应；1855年设计了光度计；1857年创制了“傅科棱镜”，用于偏振光的研究并提出用镀银玻璃反射镜代替金属反射镜；1858年，还设计了反射式望远镜的椭球面镜；1860年又发明了定日镜的跟踪系统，另外还有众多的发明创造，不再一一列举。傅科的成功也许很大程度上归咎于他敏锐的直觉和聪颖的大脑，但是这与他的努力和勤奋也是分不开的，值得我们每一个人向他学习。傅科的一生对物理学有着多方面的重要贡献，在力学、光学、电学方面都建树颇丰。基于他的兴趣，所以他的研究侧重于实验仪器的制备、实验方法的设计、以及对物理量的精确测量。光速的测定以及涡电流理论的提出，也都是傅科对人类所做的巨大贡献。傅科的博学多才，以及在多个领域的发明创造，使他深受各国科学界垂青，并于1864年当选为英国皇家学会会员，以及柏林学院、圣彼得堡科学院院士，1868年被选为巴黎科学院院士。1868年2月11日傅科于巴黎逝世，终年49岁。
如今我们已经进入了高科技的21世纪，科学发展日新月异，但是尽管如此，傅科摆实验简单而实用的设计，朴素而深邃的思想，对于我们今天的实验工作来说，依然起着启迪思维、激发兴趣的作用，对于创新意识和动手能力的培养等方面必将依然产生深刻而久远的影响。
