傅科摆

　　每当我们走进北京天文馆老馆的大厅，或是在中国科学技术馆，都能发现一个用很长的金属线栓着的大铁球，类似钟摆来回摆动，这便是傅科摆。

　　中国科学技术馆馆员武佳向《中国科学报》记者介绍：“傅科摆直观展示了地球的自转现象。最早发明这种方法的人是法国著名物理学家让・博纳・雷昂・傅科。160多年前，他用一种简单的类似钟摆的器械，实现了整个测量过程。”

　　1514年，波兰天文学家哥白尼提出了地球自转的同时围绕太阳公转的观点。这一观点与当时的天文学观点是背道而驰的。后来，科学家们通过天文观测，逐渐接受了哥白尼的观点。但是，他们还是缺少实际地球运行情况的展示。

　　傅科偶然发现了一个展示地球自转的方法。他首先在自己家中的地下室进行了实验：用一个很重的锤子挂在一个钟摆上，摆锤是5千克的黄铜球，摆线是一根细线。用另一根线系于末端将其固定在某一位置，等到摆锤完全静止，用火柴烧断这根线，让摆自由摆动。按照傅科的预想，地球自转时，这一钟摆就会在空间的同一平面摆动。1851年1月8日下午2时，傅科进行实验时观察到摆动平面在地球绕日运动方向上旋转，这实质上就是用实验把地球自转的事实表现出来。

　　要研究摆动平面旋转的规律，必须改善实验条件，提高实验的精确程度，在阿拉果的支持下，傅科在巴黎天文台的大楼上重复了这个实验，这次实验使傅科有条件将他的摆长增加到11米，通过精心实验之后，1851年4月3日，傅科向法国科学院报告了他的发现和研究成果：摆动平面旋转的角度与纬度的正弦成正比。傅科向科学院报告之后，并没有停止实验而是增加摆长对实验不断进行重复。

　　在拿破仑三世赞助下，傅科准备进行他的第三次“傅科摆”实验。他设想，钟摆摆动时，在没有外力的作用下，将保持固定的摆动方向。如果地球在转动，那么钟摆下方的地面将旋转，而悬在空中的摆具有保持原来摆动方向的趋势，对于观察者来说，钟摆的摆动方向将会相对于地面发生变化。原理找对了，实验却并不好做。由于钟摆方向的改变是细微的，所以稍强一点的气流就会使实验结果发生变化。由于摆臂越长，实验效果越明显，所以为了观察到方向的改变，实验地点一定要设置在顶棚很高的厅堂之中，顶棚用来悬挂钟摆。傅科最后选择了贝利高松的国葬院作为实验场所。

　　这次他用一根67米长的铁丝悬挂28千克的球做成摆，在铁球的下方镶嵌了一枚细长的尖针，并在摆的下方安置了一个沙盘。摆运动时，摆尖会在沙盘上划出一道道的痕迹，从而记录了摆动方向。

　　实验当天，成千上万人前来观看这一奇妙的实验。随着时间一分一秒地流逝，人们发现了奇迹，那就是摆在悄悄地发生着“移动”，并且是沿顺时针方向发生旋转。有的人在摆动开始时，明明看到摆球运动到自己眼前，又荡了回去，可经过一段时间之后，摆球竟离自己越来越远。这对于围观的人们来讲，他们通过对现象的观测都得出这样的结论，眼看着自己没有移动，那一定是摆平面发生了“移动”。

　　“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、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。”武佳说。

　　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。人们发现，在地球的两极，傅科摆的摆动平面24小时转一圈，而在赤道上，傅科摆没有方向旋转的现象；在两极与赤道之间的区域，傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。

　　1855年，在世界博览会上，傅科表演了他的实验，这是他的第四次“傅科摆”实验，这不仅使他的实验闻名于世，而且促进了物理学研究的发展。

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