傅科擺實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

劉 潔，閆 昕，梁蘭菊，張?jiān)Ｊ耍?冬，田貴才

（棗莊學(xué)院 光電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160）

傅科擺實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

劉 潔，閆 昕，梁蘭菊，張?jiān)Ｊ耍?冬，田貴才

（棗莊學(xué)院 光電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160）

介紹一種傅科擺模擬演示裝置及對(duì)傳統(tǒng)傅科擺實(shí)驗(yàn)測量方法的改進(jìn).該裝置體積小，結(jié)構(gòu)簡單，演示時(shí)間短；傳統(tǒng)傅科擺用測一定時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)角度的方法，為方便測量，使用測偏轉(zhuǎn)360度所需時(shí)間的研究方法.這樣可以實(shí)現(xiàn)課堂的教學(xué)演示，并提高了實(shí)驗(yàn)精確度，有助于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，是教師演示和學(xué)生學(xué)習(xí)傅科擺的有力助手.

傅科擺，演示裝置，測量方法

1 引言

1851年,法國著名物理學(xué)家傅科（Foucault JeanBernar Leon）為驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)進(jìn)行了一系列壯觀的實(shí)驗(yàn),所用的實(shí)驗(yàn)裝置被后人稱為傅科擺.這也是人類第一次用來驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置.

傅科擺的擺錘直徑0.30m,擺錘質(zhì)量28kg,擺線長達(dá)67m,對(duì)于這樣的龐然大物,一般的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室根本無法容納得下,更不用說在課堂上當(dāng)堂演示了.另外還由于擺平面偏轉(zhuǎn)周期為35小時(shí),因此學(xué)生難以在課堂上甚至在實(shí)驗(yàn)室觀察到傅科擺振動(dòng)的全過程.為克服第一個(gè)困難,現(xiàn)已有將傳統(tǒng)的龐大裝置改造為適宜于實(shí)驗(yàn)室演示的較小型化結(jié)構(gòu)FKB-1型傅科擺問世.

但其體積仍較大,不易搬動(dòng),特別是對(duì)上述第二個(gè)困難沒有克服,故仍無法當(dāng)堂向?qū)W生展示傅科擺運(yùn)動(dòng)的全部過程.為此我們研究并制作了如圖2所示傅科擺模擬裝置,

2 實(shí)驗(yàn)原理

傅科擺沿順時(shí)針改變擺動(dòng)方向說明地球在沿逆時(shí)針方向自轉(zhuǎn)，這是由單擺的物理特性得出的結(jié)論.傅科擺擺動(dòng)起來后并不改變擺動(dòng)方向，然而我們站在地球上看到傅科擺是在沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一定的角度，不斷地改變它的擺動(dòng)方向.分析這種現(xiàn)象，擺在擺動(dòng)平面方向上并沒有受到外力作用，按照慣性定律，擺動(dòng)的空間方向不會(huì)改變，因而可知，這種擺動(dòng)方向的變化，是由于觀察者所在的地球沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，地球上的觀察者看到相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，從而有力地證明了地球是在自轉(zhuǎn).傅科擺放置的位置不同，擺動(dòng)情況也不同.用公式表示為：

T——擺動(dòng)平面轉(zhuǎn)動(dòng)周期

ω——轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度

φ——傅科擺所在緯度

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 原始實(shí)驗(yàn)的裝置

圖1 FKB-1型傅科擺結(jié)構(gòu)圖

測量方法：打開儀器門，將傅科擺從支架上放下，接通傅科擺電源，紅色指示燈亮，擺動(dòng)傅科擺使其保持8cm左右的擺幅，調(diào)整底座上的刻度盤指示方向與傅科擺擺動(dòng)平面平行，后關(guān)好門.過一個(gè)小時(shí)再觀察擺動(dòng)的平面.與開始時(shí)的擺動(dòng)平面位置向比較，可以讀出大約7.8°的角位移.

3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的裝置

圖2 改進(jìn)后的傅科擺結(jié)構(gòu)圖

我們研制的傅科擺模擬裝置如圖2所示，它由1、頂端 2、擺線3、擺球 4、圓盤5、底座 6、傳動(dòng)裝置7、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置 8、支架等部件組成.

測量方法：在圓盤上確定一條直線，將擺球拉離平衡位置，無出速度釋放，使擺球沿此直線在豎直平面內(nèi)來回自由擺動(dòng).打開電源開關(guān)使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬地球自轉(zhuǎn)，相當(dāng)于傅科擺在地球自轉(zhuǎn)的環(huán)境中擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)平面相對(duì)于確定直線旋轉(zhuǎn)360度，測所需時(shí)間T.

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（以棗莊和威海兩地為例）

a.在棗莊（緯度34.5°）測得其擺面偏轉(zhuǎn)周期為T1=80s,根據(jù)公式（1），計(jì)算出圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω為0.139rad/s.

b.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)裝置不變，在威海（緯度37.31°）圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度仍為ω，利用公式（1），計(jì)算出擺面偏轉(zhuǎn)周期為T2=75s.

c.根據(jù)裝置測出擺面在威海的偏轉(zhuǎn)周期T3=72s，與計(jì)算出的周期T2相比較，存在3s的差異.此誤差由裝置本身、環(huán)境因素、人為因素等造成.

d.傅科擺偏轉(zhuǎn)周期與所在地緯度的關(guān)系可用圖形表示為：

4 總結(jié)

本作品實(shí)驗(yàn)儀器體積小（擺錘質(zhì)量200g，擺錘直徑3cm，擺線長30cm）,結(jié)構(gòu)簡單，改善了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課演示儀器；改變傳統(tǒng)測一定時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)角度的方法，通過測偏360度所用時(shí)間，以此簡化實(shí)驗(yàn)操作；用角速度大于地球自轉(zhuǎn)角速度的轉(zhuǎn)盤來模擬地球的自轉(zhuǎn)，以此縮短觀察傅科擺振動(dòng)全過程所需時(shí)間，便于課堂演示；既可有效地證明地球自轉(zhuǎn)又可用于觀察單擺現(xiàn)象，便于加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解.作品的意義在于將改進(jìn)傅科擺用于力學(xué)實(shí)驗(yàn)，便于在課堂演示，克服了原裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量時(shí)間長，測量偏轉(zhuǎn)角度不方便的缺點(diǎn).本作品可以運(yùn)用到大學(xué)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以提高教學(xué)質(zhì)量和效果，同時(shí)也為進(jìn)一步的創(chuàng)新和研究打下基礎(chǔ).也存在一些技術(shù)難點(diǎn)如難以克服摩擦、空氣阻力等影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以精確化.

〔1〕梁志強(qiáng),唐委校,齊魯祥.傅科擺模擬演示裝置的研制[J].大學(xué)物理,1997,（12）.

〔2〕黃志永.傅科擺擺面進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的計(jì)算及其力學(xué)原理[J].黃山學(xué)院學(xué)報(bào),2008,（3）.

〔3〕陳忠,鄭青霞.地球自轉(zhuǎn)的證據(jù)—傅科擺[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2001,（9）.

〔4〕楊蘭蘭.傅科的擺球?qū)嶒?yàn)[J].世界中學(xué)生文摘,2004,（8）.

〔5〕王巖松,王文全,苗元華,曾敏.地球真的在自轉(zhuǎn)啊—米歇爾·傅科擺實(shí)驗(yàn)—“最美麗”的十大物理實(shí)驗(yàn)之四[J].物理通報(bào),2003,（7）.

O343.11

A

1673-260X（2011）12-0023-02