你知道怎么证明地球在自转吗?其实只要有一根线和一个金属球就能证明,这是怎么回事呢?
主席有句诗叫作“坐地日行八万里”,表达的就是地球的自转现象,我们即使坐在原地不动,也是时时刻刻跟着地球在做自转运动。对于现代人来说,我们虽然无法直接感知地球的自转,但是课本上早已告诉了我们这个道理。
可在500年前哥白尼提出日心说时,却因为无法证明,地球既然围绕太阳转,又为何会出现太阳的东升西落,而被教会说成是异端活活烧死。即使我们现在已经知道,地球的自转是造成黑夜白昼交替的原因,但是怎么让人们亲眼感知地球的自转一直是一个难题。
直到1851年法国物理学家傅科,在万神殿做了一个有趣的实验,这座古罗马时期供奉诸神的神殿,后来成为了安葬法国著名历史人物的圣殿,所以又被称为先贤祠。圣殿的最高处是一个巨大的圆形穹顶,傅科便将一条长达67米绳索从其中央悬挂下来,并且在下方安装了一个重达28千克的铜制摆球,摆球下部呈现尖锥状,可以在下方的沙盘中划出痕迹。
在人们的注视下,傅科拉动了摆锤做单摆运动。按人们常规的理解,摆锤应该在一个垂直平面上来回运动,就像摆钟里的摆锤一样。但是这个摆球不同,由于只是单纯的绳索连接,并且四周都没有任何阻挡,这也是傅科选择在先贤祠的大穹顶下做这个实验的原因。
随着时间的推移,原本应该在平面上做来回运动的摆球,开始发生了偏移摆动,不断在沙盘上划出花瓣样的轨迹,并且不断的围绕中心点发生一点一点的偏移。这其中除了最初给出的,让摆球做单摆运动的力之外,还有地球的自转运动,让摆球摆动看起来发生了偏移。
这个装置后来就被命名为傅科摆,如今在很多科技场馆中都可以看到这样的装置,只是沙盘被换成了刻度盘,或者周边一圈会被放置小球或者金属块,为的都是将摆球摆动偏转的位移更清楚的展示出来。
证明地球自转其实可以用傅科摆来实验,那如果吊着摆球的那根绳子不存在,又会发生怎样的结果?
我们之所以一直很难直观地展示地球的自转,是因为在地球上日常所见的事物,都很难摆脱地球自转产生的惯性。有的人提出这样的假设,如果一个人原地垂直跳起,当再垂直落下时,地球因为自转,人应该不会再落到原地。这个假设理论上好像是成立的,但是地球的自转相对缓慢,并且人在地球上受到惯性的影响,所以几乎是看不出变化的,即使将这个实验搬到高速行驶的高铁上,因为同样受到惯性的影响,也是无法看出变化。
所以傅科摆的作用,就是在尽量避免惯性影响之下,展现地球的自转。而傅科摆的摆球通常是重量较大的金属球,并且用绳索连接,受到的惯性影响几乎可以忽略。这可以看成是一个完全悬空运动的球体,这样的话将地球看做是参照物的话,傅科摆在运动时,就产生了偏移。
但其实真正来说,傅科摆却并没有发生运动偏移,发生运动的是地球的自转,只是我们选择的参照物不同造成的。
可以用一个小实验来验证这个现象,让两个实验者分别坐在,一个可以转动的圆盘装置两端,当转盘静止时,两人互相之间抛接篮球都可以顺利接到。但是当转盘开始转动时,同样的抛球对方却无法接到,并且篮球相对于接球的实验者发生了偏移,我们知道抛球仍然是直线向前,接球的实验者也是坐在抛球者的对面,始终没有离开。球的运动轨迹没有改变,人的相对位置也没有改变,改变的是实验者所处的平台转动。