傅科摆是怎么证明地球自转的(要怎么才能证明地球的自转?傅科拿出56斤大摆锤表示:“让我来”)

每个国家的科技馆里都有这样一个装置,一个盘上面悬挂着一个摆锤,仔细一看,盘上还画着刻度。这个摆动装置叫做傅科摆,是170年前法国科学家傅科为了证明地球自转而进行的一个实验。

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傅科傅科

一个我们现在人尽皆知的定律,需要科学家奋力证明,我们的科学之路上充满了阻碍与挑战。

傅科摆

法国物理学家傅科,在1851年进行了一个实验,他在先贤祠架起了一个高约70米的摆锤,摆锤的重量有足足56斤,里面装满了沙子。傅科让摆锤摆动,沙子从大铁球里面漏出来,下面有个直径6米的沙盘接着。然后傅科让在场的各位各回各家,该干嘛干嘛,一切交给时间来解决。

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傅科摆实验

很多人不知道傅科这个实验能说明什么,这不明摆着最后漏出一条线吗?还能玩出什么花脚乌龟?于是在大家在议论中散场,决定过一段时间再来看。

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傅科摆在南半球时运动的动画

时间来到了揭晓谜底的那天,人们怀着看笑话的态度来到了先贤祠,他们看到的是,沙盘上的沙子路线不单单是一条直线,而是多条路线,仿佛是沙盘中间开出了一朵“沙之花”。结果震惊了大家的三观,为什么会出现这种情况呢?傅科看见大家震惊的表情,很满意地宣布:“我们的地球是时刻转动着的!”

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巴黎先贤祠的傅科摆

至此,大家终于相信地球是在自转的。因为如果地球是静止的,傅科的摆锤漏出的沙线就是一条。可如果这个时候加上地球的自转,摆锤就会有自转惯性的影响,在摆动的同时自己也在转动,最后出现多条路线相相交于沙盘中心点的情况。

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傅科摆的模拟动画

但是傅科摆不是万能的,它不能在赤道上进行,这是因为在赤道上摆锤的运动方向地轴平行。并且不同地区的傅科摆实验会因为所处的纬度不同,“沙之花”的花瓣角度不一样。

傅科做实验的时候是19世纪中叶,按理说这个时候科学已经在欧洲成型了,为何他还要用这个方法来证明地球自转呢?

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地球自转

科学VS固执

在傅科做这个实验的大约300年前,欧洲出现了一个叫哥白尼的人,他说地球围绕太阳运转。此话一出,教会对他一阵追杀,支持他的伽利略哪怕已经古稀的年纪也逃不过教会的惩罚,在人生最后的日子失明又失去自由。

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哥白尼

欧洲经历过灿烂的古希腊-罗马时期,也经历过黑暗的中世纪,赋予黑暗的正是教会。他们禁锢了人们的思想,将一切反对他们的人处以极刑,只要同他们意见不同的,都是异端,是巫师、女巫,要被烧死。他们将有利于自己的理论奉为宗旨,用来维护自己的统治。比如地心说万物不变等理论。

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按照教会的说法,我们的地球天生就是这样的,我们人类也是自古就存在的,地球更是不会随便动的,它还是宇宙的中心。这么说的原因就在于找借口,说明教会的权力是与生俱来的,并且不会改变的。所以哥白尼的日心说简直就是在打教会的脸,他们当然要将其赶尽杀绝。经过后世科学家们的不停抗争,日心说终于被世人接受,万物也不是一尘不变的,地球在转动。

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日心说

但是旧学派依旧不认为自己所在的地球是转动的,因为观察不到,他们讲究眼见为实,看不见的就是不存在的。为此傅科才设计了这样一个实验,用来“看见”地球的自转。

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傅科摆

为了消除空气阻力的影响,傅科特意将实验装置设计得非常重,这样在重力面前,空气阻力的影响所占比例不会太大。如果真的想要亲眼看见地球自转,可以将傅科的这套装置放在极点,就可以看见装置发生转动。在北极点是自西向东,在南极点看是自东向西。那么我们的地球为何会出现自转呢?

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地球自转

地球围绕太阳公转这一理论在日心说被接受的时候就同时被接受了,后来又有牛顿的万有引力,我们知道了引起公转的原因是太阳对地球的引力。可是地球的自转是怎样产生的呢?关于地球的自转有几种说法。

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太阳和地球

第一种说法是星云旋转,我们的太阳系诞生在一片星云之中,在形成恒星的过程中,星云里的粒子会因为碰撞、反应而产生能量,造成星云旋转。整个太阳系就是在旋转中出现的,所以地球的自转是从“娘胎”里就带出来的。

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星云旋转

后来人类利用太空天文望远镜发现,一些星云的确有旋转的迹象。可是这个假说有一个很难解释的点,太阳系的大部分行星的自转都是自西向东的,唯独金星这个“逆子”自东向西。如果行星自转是因为星云旋转,那么大家都是从一个星云里面出来的,为何偏偏金星与众不同?

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金星自东向西

因此诞生了第二种说法角动量堆积。这个假说提到,行星的自转并非一开始就有的,星云旋转带来的是公转,自转则是在形成的过程中被无数次撞击,造成了角动量在行星中出现堆积。由于撞击的方向不同,最终自转取决于合力朝向。

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金星

地球等行星的角动量堆积最终呈现自西向东的趋势,而金星的撞击与其他行星不同,最后的角动量堆积呈现自东向西。按照这个假说,行星的自转的方向是随机的,只不过太阳系的行星们大部分都是自西向东,说明当时的撞击基本上都是一个方向来的。

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地球自转

由于宇宙是真空,也就不存在什么空气阻力,理论上只要天体一旦发生自转,就会停不下来。可是根据研究,我们的地球自转其实是在变慢的,因为我们的地球正在消耗自己的角动量。

最大的消耗体是月球,地球的唯一天然卫星。月球虽然比起地球来说很小,可它毕竟还是有7350亿亿吨,要说对地球完全没有影响是不可能的。我们地球上的潮起潮落就是月球引力引起的,因此它会牵制地球的自转速度。

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月球潮汐

另一种消耗则是人造卫星,因为人类一股脑发射上去却没考虑回收,导致这些卫星堆积在地球的附近。根据估计,这些年人类留在太空中的废弃人造天体,质量已经接近一颗小行星,相当于无形中给地球添置了另一个围绕物。它们在地球的引力下转动,有些废弃卫星的位置非常接近大气层,甚至与大气层发生了摩擦,这样也会减少自转的角动量

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人造卫星

自转对地球的影响非常大,洋流季风就是地球自转产生的,想象一下没有了自转地球会变成什么样子,必定不是什么好结果。因此面对变慢的地球,人类不得不选择重视。

另外的验证方法

除了傅科摆可以证明地球自转,还有其他的验证方法。随着人类的技术进步,对于炮弹发射越来越精益求精就越能发现,每次发射炮弹的落点会有一定的偏移,而且这个偏移量会与炮弹的射程成正相关。

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炮弹发射

而且还有个神奇的现象,北半球的炮弹会朝右边偏,而南半球的炮弹会朝左边偏。这种偏移就是因为地球的自转惯性导致的,如果没有自转,炮弹的落点会与炮台在同一条直线上。

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开采石油

同理,因为人类开采石油,钻探技术也越来越强,打的井也是越来越深。如果这个时候将一个铁球扔进井里,按照预计铁球会直直落到井底。可是只要井的深度达到一定数值,铁球就会撞击到井壁,而不是井底。而且在北半球扔出铁球的话,铁球会碰到井的东壁,在南半球,铁球会碰到井的西壁。

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傅科摆

这两种方法同样能验证地球自转,但是实现起来难度很大。炮弹实验受天气影响太大,而落井实验,井必须达到一定的深度。并且这样的实验,其最后的结果并不如傅科摆那么直观,所以最能代表地球自转实验的装置,还得看傅科摆动。

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