必修1：地球自轉(zhuǎn)的地理意義（魯教版）

1、證明地球轉(zhuǎn)動(dòng)的擺無(wú)論我們認(rèn)為地球是繞自身軸旋轉(zhuǎn)，或者認(rèn)為是恒星繞地球旋轉(zhuǎn)而地球處于靜止，這都是無(wú)關(guān)緊要的。 馬赫三百多年以前伽利略接受羅馬教廷的審判，當(dāng)他被迫承認(rèn)地心說(shuō)的時(shí)候，有人記載說(shuō)，伽利略喃喃自語(yǔ)道：“可是地球仍然在動(dòng)??！”伽利略是否說(shuō)過(guò)這句話已經(jīng)不可考，按理說(shuō)后人杜撰的成分比較大。很難想象有人聽(tīng)見(jiàn)了伽利略低聲說(shuō)出的“異端”言論，并且把它記錄了下來(lái)，更何況當(dāng)時(shí)伽利略已經(jīng)神志不太清醒。圣經(jīng)說(shuō)大地是不動(dòng)的；而現(xiàn)在，即使是小學(xué)三年級(jí)的學(xué)生也知道地球存在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。那么，一個(gè)問(wèn)題是，如何觀察到地球的運(yùn)動(dòng)比如自轉(zhuǎn)呢？ 150年前的實(shí)驗(yàn)時(shí)間回溯到1851年的巴黎。在國(guó)葬院（法蘭西共和國(guó)的先賢祠）的大

2、廳里，讓·傅科（Jean Foucault）正在進(jìn)行一項(xiàng)有趣的實(shí)驗(yàn)。傅科在大廳的穹頂上懸掛了一條67米長(zhǎng)的繩索，繩索的下面是一個(gè)重達(dá)28千克的擺錘。擺錘的下方是巨大的沙盤(pán)。每當(dāng)擺錘經(jīng)過(guò)沙盤(pán)上方的時(shí)候，擺錘上的指針就會(huì)在沙盤(pán)上面留下運(yùn)動(dòng)的軌跡。按照日常生活的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)碩大無(wú)朋的擺應(yīng)該在沙盤(pán)上面畫(huà)出唯一一條軌跡。國(guó) 葬院外觀實(shí)驗(yàn)開(kāi)始了，人們驚奇的發(fā)現(xiàn)，傅科設(shè)置的擺每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的震蕩，在沙盤(pán)上畫(huà)出的軌跡都會(huì)偏離原來(lái)的軌跡（準(zhǔn)確地說(shuō)，在這個(gè)直徑6米的沙盤(pán)邊緣，兩個(gè)軌跡之間相差大約3毫米）?！暗厍蛘娴氖窃谵D(zhuǎn)動(dòng)啊”，有的人不禁發(fā)出了這樣的感慨。關(guān)于1851年傅科擺實(shí)驗(yàn)的版畫(huà)，注意沙盤(pán)上畫(huà)出的痕

3、跡 自轉(zhuǎn)和慣性傅科的這個(gè)擺的是一個(gè)演示地球自轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)。這種擺也因此被命名為“傅科擺”。傅科擺為什么能夠演示出地球自轉(zhuǎn)呢？。簡(jiǎn)單的說(shuō)，因?yàn)閼T性。通常，我們說(shuō)“地球具有自轉(zhuǎn)”的時(shí)候，我們并沒(méi)有明確出它到底相對(duì)于什么自轉(zhuǎn)。這是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，如果沒(méi)有參照物，談?wù)撨\(yùn)動(dòng)是不可想象的。還沒(méi)有辦法在空間中打上一根釘子作為絕對(duì)的參照物，因此，我們只能依靠較遠(yuǎn)的、看起來(lái)似乎是靜止的天體作為參照物。事實(shí)上，那些天體也絕不是“空間中的釘子”，只不過(guò)因?yàn)樗鼈儗?shí)在太遙遠(yuǎn)了，我們不妨事實(shí)上恐怕也是唯一的選擇把它們作為參照物。以遙遠(yuǎn)的恒星作為參照物，一個(gè)物體不受外力作用的時(shí)候，將一直保持它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這也是牛頓第一定律

4、的內(nèi)容。擺是一種很有趣的裝置。給擺一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠鹗甲饔?，它就?huì)一直沿著某一方向，或者說(shuō)某一平面運(yùn)動(dòng)。如果擺的擺角小于5度的話，擺錘甚至可以視為做一維運(yùn)動(dòng)的諧振子。現(xiàn)在，考慮一種簡(jiǎn)單的情況，假如把傅科擺放置在北極點(diǎn)上，那么會(huì)發(fā)生什么情況呢？很顯然，地球在自轉(zhuǎn)相對(duì)于遙遠(yuǎn)的恒星自轉(zhuǎn)。同樣，由于慣性，傅科擺的擺錘相對(duì)于遙遠(yuǎn)恒星的運(yùn)動(dòng)方向（平面）是不變的。（你可以想象，有三顆遙遠(yuǎn)的恒星確定了一個(gè)平面，而傅科擺恰好在這個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于慣性，當(dāng)?shù)厍蛞约坝脕?lái)吊起擺錘的架子轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，擺錘仍然在那個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)）那么什么情況發(fā)生了呢？你站在傅科擺附近的地球表面上，顯然會(huì)發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)的平面正在緩緩的轉(zhuǎn)動(dòng)，它轉(zhuǎn)動(dòng)的速度大

5、約是鐘表時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)速度的一半，也就是說(shuō)，每小時(shí)傅科擺都會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15度。擺在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這里所說(shuō)的平面是由遠(yuǎn)方的恒星確定的如果把傅科擺放置赤道上呢？那樣的話，我們將觀察不到任何轉(zhuǎn)動(dòng)。把擺錘的運(yùn)動(dòng)看做一維諧振（單擺），由于它的運(yùn)動(dòng)方向與地軸平行，而地軸相對(duì)遙遠(yuǎn)的恒星是靜止的，所以我們觀測(cè)不到傅科擺相對(duì)地面的轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)在把傅科擺移回巴黎。擺錘的運(yùn)動(dòng)可以分解為沿地軸方向的和與之垂直方向上的兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)。后者會(huì)產(chǎn)生相對(duì)地面的旋轉(zhuǎn)（正如北極的傅科擺）。這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果是，從地面上的人看來(lái)，傅科擺以某種角速度緩慢的旋轉(zhuǎn)介于傅科擺在北極和赤道的角速度之間。（也可以從科里奧利力的角度解釋?zhuān)贸龅慕Y(jié)論是一

6、樣的）如果在北極的觀測(cè)到傅科擺旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是A（A=24h），那么在任意緯度上，傅科擺旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間是A/sin。對(duì)于巴黎，這個(gè)數(shù)字是31.8小時(shí)。 傅科的巧手1819年，讓·傅科生于巴黎。傅科從小喜歡動(dòng)手做試驗(yàn)，最初傅科學(xué)習(xí)的是醫(yī)學(xué)，后來(lái)才轉(zhuǎn)行學(xué)習(xí)物理學(xué)。1862年，傅科使用旋轉(zhuǎn)鏡法成果的測(cè)定了光速為289 000km/s，這是當(dāng)時(shí)相當(dāng)了不起的成績(jī)，因此他被授予了騎士二級(jí)勛章。此外，傅科還在實(shí)驗(yàn)物理方面做出了一些貢獻(xiàn)。例如改進(jìn)了照相術(shù)、拍攝到了鈉的吸收光譜（但是解釋是由基爾霍夫做出的）。傅科擺實(shí)驗(yàn)的第二年，即1852年，他制造出了回轉(zhuǎn)儀（陀螺儀）也就是現(xiàn)代航空、軍事領(lǐng)域使用的

7、慣性制導(dǎo)裝置的前身。此外，他還發(fā)現(xiàn)了在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)圓盤(pán)因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生渦電流，這被命名為“傅科電流”。當(dāng)然，不能忘記的是傅科擺實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@個(gè)非常簡(jiǎn)單的演示了地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，傅科獲得了榮譽(yù)騎士五級(jí)勛章。傅科使用了如此巨大的擺是有道理的。由于地球轉(zhuǎn)動(dòng)的比較緩慢（相對(duì)擺的周期而言），需要一個(gè)比較長(zhǎng)的擺線才能顯示出軌跡的差異。由因?yàn)榭諝庾枇Φ挠绊?，這個(gè)系統(tǒng)必須擁有足夠的機(jī)械能（一旦擺開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，就不能給它增加能量）。所以傅科選擇了一個(gè)28千克的鐵球作為擺錘。此外，懸掛擺線的地方必須允許擺線在任意方向運(yùn)動(dòng)。傅科正是因?yàn)樽龅搅诉@三點(diǎn)，才能成功地演示出地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 國(guó)葬院大廳的傅科擺（示意圖） 法國(guó)巴黎國(guó)葬院的大廳 現(xiàn)在，巴黎國(guó)葬院中依然保留著150年前傅科擺實(shí)驗(yàn)所用的沙盤(pán)和標(biāo)尺。不僅僅是在巴