博科擺

1851年,法國物理學家讓・傅科在巴黎國葬院安放了一個鐘擺裝置,擺的長度為67米,底部的擺錘是重28千克的鐵球,在鐵球的下方鑲嵌了一枚細長的尖針。這個巨大的裝置是用來做什麼的呢?原來,傅科要證明地球的自轉。他構想,當鐘擺擺動時,在沒有外力的作用下,它將保持固定的擺動方向。如果地球在轉動,那么鐘擺下方的地面將鏇轉,而懸在空中的擺具有保持原來擺動方向的趨勢,對於觀察者來說,鐘擺的擺動方向將會相對於地面發生變化。

1851年,法國物理學家讓・傅科在巴黎國葬院安放了一個鐘擺裝置,擺的長度為67米,底部的擺錘是重28千克的鐵球,在鐵球的下方鑲嵌了一枚細長的尖針。這個巨大的裝置是用來做什麼的呢?原來,傅科要證明地球的自轉。他構想,當鐘擺擺動時,在沒有外力的作用下,它將保持固定的擺動方向。如果地球在轉動,那么鐘擺下方的地面將鏇轉,而懸在空中的擺具有保持原來擺動方向的趨勢,對於觀察者來說,鐘擺的擺動方向將會相對於地面發生變化。原理想通了,實驗卻並不好做。由於鐘擺方向的改變是細微的,所以稍強一些的氣流就會使實驗結果發生變化。由於擺臂越長,實驗效果越明顯,所以為了觀察到方向的改變,實驗地點一定要設定在頂棚很高的廳堂中,頂棚用來懸掛鐘擺。傅科最後選擇了巴黎高聳的國葬院作為實驗場所,並在擺的下放安置了一個沙盤。在擺運動時,擺尖會在沙盤上劃出一道道的痕跡,從而記錄了擺動方向。
實驗的結果與傅科的構想完全吻合,擺的擺動顯示為由東向西的、緩慢而持續的方向鏇轉。傅科的演示直接證明了地球自西向東的自轉,所以人們稱呼實驗中的鐘擺為“傅科擺”,當時的法國政府還向傅科頒發了榮譽騎士五級勳章,以表彰他的科學貢獻。傅科的實驗引發了全世界的一股實驗熱潮,各地的人們紛紛效仿傅科,用長長的鐘擺來揭示地球的自轉。人們發現,在地球的兩極,傅科擺的擺動平面24小時轉一圈,而在赤道上,傅科擺沒有方向鏇轉的現象;在兩極與赤道之間的區域,傅科擺方向的鏇轉速度介於兩者之間。
地球每24小時自轉一周,由於赤道的周長約4萬千米,因此人們有“坐地日行八萬里”的說法。在赤道上的一點,速度是每秒接近500米,這是子彈出膛時的速度。我們像子彈一樣地飛馳,卻沒有一絲感覺,是由於在慣性的影響下,周圍的物體都跟隨地球高速轉動,彼此之間倒是不即不離。不識地球的廬山真面目,只緣我們身在此山中。
前面提到,傅科擺在地球的不同地點鏇轉的速度是不同的,這說明了地球表面不同地點的線速度不同,因此,傅科擺不僅能夠驗證地球自轉,它也可以用於發現擺所處的緯度。
1851年法國物理學家傅科為證明地球自轉所設計的一種擺,稱為博科擺。傅科擺繩長67米,繩端擺錘重27千克,這種擺自由擺動時間較長,便於人們觀察。擺下有一個有刻度的圓盤,盤上刻有通過圓心的直線。靜止時,擺錘正中應對準盤的圓心,觀察時先確定盤中某一直線與通過圓心的子午線重合,然後推動擺錘沿子午線方向作南北方向轉動。過一段時間,就會看到擺動方向偏離了子午線方向。在北半球向右偏轉,時間越長,偏轉的角度越大。擺開始動以後,除重力外,沒有受其他力的作用,按照慣性定律,擺的方向是應該不變的;但擺卻偏轉了。這是因為地球自轉的緣故。我們站在地球上,隨著地球一起自轉,感覺不到子午線的方向在變化,反而覺得是擺在偏轉。假若傅科擺在北極,以極點為圓盤的中心,轉一周為24小時,每小時偏轉15°。擺若設在赤道,則不發生偏離;擺若在赤道與兩極之間的任何緯度上,擺動平面偏轉角速度(θ)與緯度(φ)的正弦函式成正比。即θ=t・sinφ。(t為地球每小時所轉的角度)。在南半球,擺向左偏轉。

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