法国巴黎先贤祠的傅科摆
19世纪 法国物理学家莱昂·傅科在巴黎先贤祠里用他的“傅科摆”,向公众证实了地球的自转。
1851年,傅科在巴黎先贤祠的大厅里安装了一个实验装置:一根长达67米的钢索悬挂在拱顶,下面挂着一颗直径为30厘米、重28千克的摆锤,摆锤的下方嵌入了一根尖针,伸进地面上摆放的直径6米的巨大沙盘里,当摆锤经过沙盘上方时,尖针就会在沙盘上留下运动的轨迹。
傅科将摆锤高高吊起,等周围的一切都平静后,用火烧断了拴住摆锤的绳子,摆锤顺势开始摆动。依照惯性定律,摆锤的摆动应该始终保持在一个平面上,在沙盘上留下唯一的轨迹。随着时间一分一秒流逝,人们惊奇地发现,沙盘上摆锤的轨迹每经过一个周期,都会沿顺时针方向发生偏转(每两个轨迹之间相差大约3毫米)。
傅科摆示意图
一般来说,在没有外力影响的情况下,摆动的平面是不会发生移动的,因此我们可以分析,人们所观察到的摆平面的转动其实是一种相对运动,真正在转动的其实是大家脚下的地球。
“傅科摆”实际上是一个非常简单的单摆结构,傅科在实验中使用了很长的钢索和重量很大的摆锤,长长的钢索让摆锤摆动的时间足够长,以便于人们观察摆动的变化,沉重的摆锤增加了摆自身的惯性,减小空气阻力,让摆动可以持续得更久。他还在钢索的悬挂点使用了特殊的万向节设计,最大程度地减少摩擦,使摆能不受地球自转的影响,始终保持摆动方向不变。就是这个神奇的“傅科摆”,让人们亲眼看到了地球的自转。
如果我们把“傅科摆”放置在不同的位置,摆动的情况也会不同: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,在赤道上时摆几乎不转动,而在两极极点时,摆动平面旋转的周期为一恒星日(23小时56分4秒)。纬度越高,摆动平面转动的速度越快,在傅科所在的法国巴黎,“傅科摆”的摆平面旋转一周的时间大约是31.78小时。在北京天文馆的大厅里也有一个巨大的“傅科摆”,由于北京的纬度与巴黎相比较低,它旋转一周大约需要37小时。
傅科(1819年9月18日~1868年2月11日), 法国物理学家。
幼年时期,喜欢精巧手工的创制活动;
青年时期,学习外科和显微医学,后转向物理学方面的实验研究;
1851年,进行了著名的傅科实验,因此被授予荣誉骑士五级勋章;
1852年,发明了回转仪,并发现了回转罗盘效应;
1853年,测定光速,获物理学博士学位,并被拿破仑三世委任为巴黎天文台物理学教授;
1855年,设计了光度计;发现在磁场中的运动圆盘因电磁感应而产生涡电流,被称为“傅科电流”,同年,被英国皇家学会授予科普利奖章;
1857年,创制“傅科棱镜”;
1858年,设计了反射式望远镜的椭球面镜;
1960年,发明了定日镜的跟踪系统;
1864 年,当选为英国皇家学会会员,以及柏林科学院、圣彼得堡科学院院士;
1868年,当选为巴黎科学院院士。