验证地球自转的傅科摆实验

◎文/图 中国科学院国家天文台 郭红锋

验证地球自转的傅科摆实验

1851年，法国物理学家傅科为了验证地球自转，在巴黎的一个大厅里做了一个成功的实验。他用一根长67米的绳子和一个重28公斤的摆锤，在一个巨大的沙盘上空摆动。摆锤下面是尖的，摆动时就会在沙盘上划出摆线。

很多人屏住呼吸观看，过了一段时间，摆锤划的摆线真的慢慢偏转了！在场的人们不禁惊呼起来：地球真的转动了（见图1）！

这个实验是根据单摆的特点设计的。单摆就是用一根细长的线（ι）吊着一个重锤，使重锤在一个很小的角度（θ小于5°）下摆动。如果不加外力，根据单摆定理，摆动的方向（摆动面）应该保持初始方向不变（见图2）。现在，摆线方向发生了偏转，这充分说明大地（地球）在旋转。

图1　傅科的实验

图2　单摆原理图

图3　北京天文馆里的傅科摆

傅科的实验条件符合单摆定理条件（绳子很长，摆动角度很小，几乎不受外力），所以当摆锤在沙盘上划的线偏转时，人们相信这是地在转动。傅科的实验令人信服地证实了地球自转的事实，被后人评价为史上最完美的十大物理实验之一。傅科做的摆也被人们称作傅科摆。

现在，全世界很多天文馆和科技馆里都有精美的傅科摆展示给观众。北京天文馆里也有一个傅科摆（见图3）。

动手做个傅科摆

学习了傅科摆的故事，你受到什么启发了吗？原来科学家并不是听到什么就信什么，而是要做实验去证实的。既然傅科能做一个摆来证实地球自转，天文馆里也有人做出一个跟傅科一样的摆。你能不能也做一个简易的摆，看看它是不是有偏转，来简单验证一下地球的转动呢？如果成功了，不仅能帮助你像科学家一样打开思路，拓宽视野，还能激发你更多的探究热情和梦想！

为了做好实验，我们需要准备一些器材：

1. 一根细而长且又结实的线，最好是钓鱼用的尼龙线；

2. 摆锤或者沙袋（见图4、图5）；

3. 地面画线的水笔。

图4　摆锤

图5　沙袋

傅科摆的实验过程

1. 用细线把摆锤系住；

2. 把摆锤吊在高处；

3. 在摆锤下面划上十字交叉线；

4. 用手轻轻捏住摆锤，沿十字线的某个方向拉开，轻轻松手使之摆动；

5. 观察并记录摆动起始时间和停止时间，并记录摆动偏转角度（与十字线偏离的角度）。

小链接：国家天文台里的傅科摆实验

看看同学们在国家天文台大厅里做的傅科摆实验过程吧：

1) 用普通包装绳把重物挂在顶棚的横梁上，摆锤的重量是1100克（是把3个铁秤砣绑在一起），吊点据地面高度是5米（绳长4.8米）；

2) 在地面铺上一张白纸，并画出十字线；

3) 顺着一条十字线轻轻拉开摆锤约0.4米的距离，轻轻放开手，让它自己摆起来；

4) 摆锤一共摆了约14分钟，才慢慢停了下来，可以看到摆动角度有明显的偏转（见图6、图7）。

图6　国家天文台傅科摆实验—初始位置

同学们，你能自己在家里或学校做一个傅科摆实验吗？请把你的实验记录和数据寄给我们，大家一起分享成功验证地球自转的喜悦吧！

图7　国家天文台傅科摆实验—摆动偏转