北京天文馆傅科摆 北京天文馆——傅科摆
北京天文馆老馆一进门,在正厅就看见著名的傅科摆。因为证明了地球的自传,这个摆名气 很大。如果把摆放到北极点,它的振动面会 24 小时转一周,这恰好表明地球 24 小时自传 一周。根据北京地区的纬度,这里的傅科摆 37 小时转一周。
因此北京天文馆里在傅科摆悬 点正下方设有两个刻度圆环,一个表示角度,360 度,一个表示时间 37 小时。为了不受地 球自传影响,摆的悬点应该是万向节设置,可是发现悬点下不远有一横梁,这似乎有问题, 摆线有和横梁接触的时候,会造成不小的阻力。
傅科摆 英文名称:Foucault pendulum 定义:仅受引力和吊线张力作用而在惯性空间固定 平面内运动的摆。应用学科:航空科技(一级学科);飞行控制、导航、显示、控制和记录 系统。
为了证明地球在自转,法国物理学家傅科(1819—1868)于 1851 年做了一次成功的摆动 实验,傅科摆由此而得名。实验在法国巴黎的一个圆顶大厦进行,摆长 67 米,摆锤重 28 公斤,悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。
这种摆惯性和动量大,因而基本不受地 球自转影响而自行摆动,并且摆动时间很长。在傅科摆实验中,人们看到,摆动过程中摆动 平面沿顺时针方向缓缓转动,摆动方向不断变化。
分析这种现象,摆在摆动平面方向上并没 有受到外力作用,按照惯性定律,摆动的空间方向不会改变,因而可知,这种摆动方向的变 化,是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动的结果,地球上的观察者看到相对运动现 象,从而有力地证明了地球是在自转。
傅科摆放置的位置不同,摆动情况也不同。在北半球 时,摆动平面逆时针转动;在南半球时,摆动平面顺时针转动,而且纬度越高,转动速度越 快;在赤道上的摆几乎不转动。
傅科摆摆动平面偏转的角度可用公式 θ°=15tsinφ 来求,单 位是度。式中 φ 代表当地地理纬度,t 为偏转所用的时间,用小时作单位,因为地球自转角 速度 1 小时等于 15° ,所以,为了换算,公式中乘以 15。
如果在北极的观测到傅科摆旋转 一周的时间是 A(A=24h),那么在任意纬度 γ 上,傅科摆旋转一周所需的时间是 A/sinγ。 对于巴黎,这个数字是 31.
8 小时。对于北京,这个数字是 37.4 小时。 北京天文馆大厅里也有一个巨大的傅科摆,时时刻刻提醒人们,地球在自西向东自转着。 可以按上述公式我自己计算一下: 巴黎纬度 49°sin49° =0.
7547 24/0.7547=31.8 小时 北京纬度 39.9°sin39.9° =0.6414 24/0.6414=37.4 小时 工作原理: 证实地球自转的仪器,是法国物理学家傅科于 1851 年发明的。
地球自西向东绕着它的自转 轴自转,同时在围绕太阳公转。观察地球的自转效应并不难。用未经扭曲过的尼龙钓鱼线, 悬挂摆锤,在摆锤底部装有指针。摆长从 3 米至 30 米皆可。
当摆静止时,在它下面的地面 上,固定一张白卡片纸,上面画一条参考线。把摆锤沿参考线的方向拉开,然后让它往返摆 动。几小时后,摆动平面就偏离了原来画的参考线.这是在摆锤下面的地面随着地球旋转产 生的现象。
由于地球的自转,摆动平面的旋转方向,在北半球是顺时针的,在南半球是反时针的。 摆的旋转周期,在两极是 24 小时,在赤道上傅科摆不旋转。在纬度 40° 的地方,每小时旋 转 10° 弱,即在 37 小时内旋转一周。
显然摆线越长,摆锤越重,实验效果越好。因为摆线长,摆幅就大。周期也长,即便摆 动不多几次 (来回摆动一二次) 也可以察觉到摆动平面的旋转、 摆锤越重, 摆动的能量越大, 越能维持较长时间的自由摆动。 图中拍照的是悬挂在北京天文馆球形展览大厅天花板上的傅 科摆摆锤部分。
