博学多才的实验物理学家傅科

缑秀琴 王吉旭

（滑县第一高级中学 河南 安阳 456400）

在北京天文馆老馆大厅、中国科技馆，都有一个用很长的金属线栓着的大铁球，类似钟摆来回摆动，这个装置叫傅科摆，由19世纪法国著名物理学家傅科发明.用这样一个简单的实验装置，证明了地球在自转.2002年美国科学家评出了两千年来十大最美的物理实验，傅科摆榜上有名.傅科博学多才，除了傅科摆之外，对物理学有多方面的重要贡献，在力学、光学、电学和技术方面也有多项发明，因此，受各国科学界垂青.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年被选为巴黎科学院院士.为了纪念傅科，现在月球上有一座撞击坑就是以他的名字命名的.

1 傅科生平

图1 傅科

傅科（Jean Bernard Leon Foucault，图1），1819年出生于巴黎一个出版商家庭，幼年时极喜欢精巧手工的创制活动.傅科自幼体弱多病，未能像其他孩子一样去学校读书，仅能在家接受启蒙教育.经过专门辅导，傅科通过了业士学位考试（业士学位考试是法国对中学生进行的毕业水平测试，相当于我国的高中毕业会考）.此后，他开始学习医学，大约在1844年，在阿尔弗雷德·多恩（A.doone）的关怀下，傅科获得了在医科学校临床显微镜学的教师工作，担任多恩的助教.在教学中他们共同编写显微镜学的教材.因为他实在难以忍受医院中血淋淋的情景和患者遭受的痛苦，再加上对科学实验的爱好，在结识物理学家A.-H.-L.斐索以后，傅科就和他一起研究物理学.从此，傅科开始把他的毕生精力都献给了物理学，成为当时最多才多艺的实验物理学家之一.

1845年，傅科成为《讨论周报》（Jouenal des dehais）的科学通讯员.从此，他从事科学写作，在该报为广大读者开辟的科学专栏中讨论一系列科学发展的最新成就.从1844年到1846年，傅科为法国的业士毕业考试编写并出版了几何、算术、化学等教科书.此外，他还在阿萨斯街（Rued′As-sas）自己家里建立的实验室进行科学实验，从事物理学研究，发表学术论文.1853年，傅科获得物理学博士学位，他的博士论文是关于比较光在空气中和在水中的传播速度.由于傅科对地球转动的实验演示和回转仪的发明，1854年拿破仑三世在巴黎天文台为傅科找到一个物理学教授职位，从而使博科的许多工作和天文学研究联系在一起.他为天文学仪器更加完善作出了许多重要贡献.由于对地球转动的演示和发明回转仪，1855年，他被授于伦敦皇家学会柯普利奖章，后来又当选为皇家学会外籍会员、柏林科学院外籍院士、圣彼得堡科学院外籍院士 .1865年，傅科当选为法国科学院院士.1867年，傅科患了脑病，患病期间，他还精心安排并主持“科学家朋友”小组的活动.“科学家朋友”小组每星期四在阿萨斯街他的家中聚会，讨论科学问题.傅科患病7个月后，于1868年2月1日去世，年仅49岁.

2 物理学方面的贡献

傅科是一位伟大的实验物理学家，对物理学的主要贡献在实验方面.而傅科摆无疑是傅科对物理学最大的贡献之一.事实上，地球自转的理论是16世纪时“太阳中心说”的创始人哥白尼提出的.此后的相当长一段时间内，这一理论只能停留在让人们从主观上接受的水平.1845年，傅科与斐索合作制作太阳的达盖尔式照片.制作达盖尔式照片，需要较长的曝光时间.这就要求拍摄恒星时，望远镜必须长时间指向某一天体.因而，在地球上拍摄恒星的达盖尔照片，必须不断调整望远镜的方向，使其始终对准某一天体.为了调节望远镜的轨迹，傅科做摆的实验.在实验过程中傅科联想到用实验来演示地球的自转，从而发明了傅科摆.1851年，在拿破仑三世的赞助下，傅科选用直径为30cm，重28kg的摆锤，摆长为67m，将它悬挂在巴黎万神殿圆屋顶的中央，使它可以在任何方向自由摆动.下面放有直径6m的沙盘和启动栓.如果地球没有自转，则摆的振动面将保持不变；如果地球在不停地自转，则摆的振动面在地球上的人看来将发生转动.当人们亲眼看到摆每振动一次（周期为16.5s），摆尖在沙盘边沿画出的路线移动约3mm，每小时偏转11°20′（即31小时47分回到原处）时，都目瞪口呆.有人甚至在久久凝视以后说：“确实觉得自己脚底下的地球在转动！”实验的结果与傅科的设想完全吻合，摆的摆动显示为由东向西的、缓慢而持续的方向旋转.傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转.由此，傅科被授予荣誉骑士五级勋章.傅科的实验引发了全世界的一股实验热潮，各地的人们纷纷效仿傅科，用长长的钟摆来揭示地球的自转.现在，在全球的许多大学和科研机构，包括在纽约的联合国总部，我们都能看到傅科摆.

除了傅科摆之外，傅科最出色的工作还有光速的测定和涡电流的发现.1850年，傅科改进了斐索用齿轮法测定光速，采用旋转镜法测量了光在空气和在水中的速度.原理如下：设想光线照到A镜上，然后，成某个角度反射到第二面镜B上，B又反射过来将光线反射到A镜上.假如两面镜子均不动，那么从理论上讲，光就会这样来回地永远反射下去.然而，如果使A镜迅速转动，那么当光从B镜回射到A镜时，A镜已发生了轻微移动，而会将光反射到一个新的位置.根据A镜转动的速度，并根据光程的总长度和反射光束移动的角度，傅科能以从未有的精度测定光速.他的光速值比斐索的值更加精确，仅稍低于迈克耳孙后来最终求得的值.傅科又用他的旋镜法测量光在水和其他透明介质中的速度.1853年，傅科证明光速在水中比在空气中小，这是光的波动说的一个有力证据.同年，他被授予荣誉骑士二级勋章，并被聘为经度局成员.

1851年傅科发现，一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会时导体内会出现循环的电流.这个电流类似于划船过程中桨带动水面形成的漩涡，因此，称其为涡电流也称傅科电流.这是傅科在电磁学方面的重要发现.同年，他被英国皇家学会授予科普利奖章.涡电流可以用于无损检测与监看多种金属制品的结构，如飞机机身与零件等.现在日常生活中用的电磁炉就是用涡电流来发热的.

3 技术方面的主要贡献

傅科一生对技术的发展作出了巨大贡献.他的技术发明和对技术的改进不仅解决了当时的实践问题，而且对现代科学技术的发展也具有重要意义.从时间先后顺序大致有如下几个方面.

（1）改进了达盖尔照相术.1839年达盖尔发明了照相术，随后傅科抱着极大的兴趣去研究照相术并对其进行了改进.1845年，傅科与斐索（Fizeau）合作，首次将“达盖尔照相术”应用于天文照相，拍摄太阳的达盖尔式照片.

（2）为弧光灯研制调节器.19世纪初叶，电力照明问题引起越来越多的人注意，当时已经发明了电弧灯.电弧灯使用过程中需要调整碳棒间的距离.而用手工调整过于麻烦，因而傅科为弧光灯研制了调节器，并将弧光灯应用于显微镜照明.1843年，他制造了为显微镜接物台照明用的弧光灯.1849年，他又对调节器作了一些改进，并将弧光灯用于剧院的照明装置.

（3）用玻璃镀银制作反射镜.此镜较以前的金属反射镜优越得多.1857年，傅科在制造反射望远镜的过程中，首次用镀银玻璃作望远镜的反射镜.他研制出了测试和修正反射镜和透镜参数的方法，其方法不仅简单易行，而且比较精确.

（4）研制了一系列机械调节器.19世纪中叶，蒸汽机已广泛用于工业生产领域.蒸汽机应用于工业生产，要求它的转速要比较稳定.这个问题当时并未得到很好解决，于是傅科在1860年前后致力于研究使机械转动均匀的问题，并研制了一系列机械调节器.傅科的调节器性能优于其他调节器，其效果比当时使用的瓦特调节器好得多.傅科还把机械调节器用于定日镜和定星镜上.

除了上述成就之外，傅科的贡献还有很多.例如，1852年，他制造出了回转仪——也就是现代航空、军事领域使用的惯性制导装置的前身.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.1858年，又设计了反射式望远镜的椭球面镜等.

物理学是科技发展的基础，物理学理论是科技发展的基石，而另一方面，技术的发展也为物理学研究创造了条件.理论物理学家固然伟大，然而，实验物理学家的功绩也是不容忽视的，甚至后者的工作对我们的日常生活影响更直接.虽然傅科没有受过正规的学校教育，但由于对物理实验强烈的兴趣，傅科把毕生精力都献给了物理学.傅科的一生虽然短暂，但他思路巧妙，工艺精湛，动手能力极强，再加上他的勤奋努力，有多方面的发明创造，不愧为19世纪最伟大的实验物理学家之一.尽管傅科的贡献很多，但生活平静，只对他的研究感兴趣，这也值得我们当代的科学工作者深思.饮水思源，今天享受着现代科技的我们应该感谢傅科，感谢所有对物理学和科学技术做出贡献的人们.