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傅科的故事之观察思维实验—地球自传是怎样被证明的

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傅科(1819-1868),法国物理学家,傅科摆发明人,涡电流发现者。

19世纪中叶,在全世界的物理学家面前摆着一个难题:证明地球的自转。

“我们在地球上,看到日月和星座每天东升西落,这就是地球自转的证明。这个道理就好比我们坐在旋转的木马上,看到周围的景物在旋转一样。”物理学家们说。可惜这样讲说服力不强,因为人们所看到的毕竟是日月星辰而非地球在转啊!能不能用实验来证明呢?

物理学家们经过一系列研究和实践之后发现, 地球那么巨大,人们在随着地球日夜不停地转动,就像在水中平稳行驶的船舱中,“船行而人不觉”,要想在地球上证明“地球自转”,几乎很难想象。于是有的权威断言说:要想直接证明地球自转,除非人类离开地球。

然而,法国年轻的物理学家傅科,在“用实验证明地球自转”这个有名的难题面前,他没有被权威的断言吓倒,而是勇敢地向这个堡垒发起进攻。在其他科学家的支持下,傅科于1851年的一天,在先贤祠(又称名人纪念堂)挂起一个巨摆,当众实验。让人们亲眼看看地球的“自转”。

那一天,巴黎先贤祠门口人声鼎沸,拥挤不堪。人们来到这座高大建筑里,只见高高的圆屋顶上悬挂着一个巨大的单摆,摆长67米,相当于一座20层楼房的高度,下面是一个沉重的铅球,在缓慢、单调地摆动,每分钟还不到四个来回。

“请注意单摆的摆动方向!”傅科提醒大家。人们顺着他的手指望去,只见台面上撒了一层细砂,巨摆紧贴着台面摆动,细砂上留下了一条又一条清晰的痕迹。几分钟过去后,人们惊讶地发现,单摆的每一次摆动,方向都有一点微小的变化。一小时以后,居然变化了十几度!“摆平面在转动呢!”这就是大家目睹的结论。

“女士们,先生们,单摆摆动的方向没变,是我们脚下的地球在时刻不停地转动!”傅科解释说。“如果我们在北极竖起一个巨大的支架,挂上巨摆,让摆动方向和支架方向平行;由于北极处于地球自转轴的顶端,支架就随着地球一起转动,每过一小时变化15度,24小时转一圈(15x24=360)。而巨摆的摆动方向是不会变化的,仍在那里按原方向摆动。当我们站在支架下面的时候,却看到巨摆的摆动方向变了,这是一个错觉。真正改变了方向的是地球、支架和我们自己。”傅科耐心地解释着。“计算和实验表明,地理纬度越低,巨摆摆动方向的变化就越 ;如果我们在赤道架起巨摆,摆动的方向将不发生任何变化。因为这时支架的方向已经不随地球的转动而改变了。”傅科说。

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