高中地理《地球自轉(zhuǎn)的地理意義》素材1（魯教版必修1）

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111 證明地球轉(zhuǎn)動的擺 無論我們認(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)地心說的時候，有人記載說，伽利略喃喃自語道：“可是地球仍然在動啊！”伽利略是否說過這句話已經(jīng)不可考，按理說后人杜撰的成分比較大。很難想象有人聽見了伽利略低聲說出的“異端”言論，并且把它記錄了下來，更何況當(dāng)時伽利略已經(jīng)神志不太清醒。圣經(jīng)說大地是不動的；而現(xiàn)在，即使是小學(xué)三年級的學(xué)生也知道地球存在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。那么，一個問題是，如何觀察到地球 的運(yùn)動——比如自轉(zhuǎn)呢？ 　　 150年前的實(shí)驗(yàn) 　　時間回溯到1851年的巴黎。在國葬院（法蘭西共和國的先賢祠）的大廳里，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米長的繩索，繩索的下面是一個重達(dá)28千克的擺錘。擺錘的下方是巨大的沙盤。每當(dāng)擺錘經(jīng)過沙盤上方的時候，擺錘上的指針就會在沙盤上面留下運(yùn)動的軌跡。按照日常生活的經(jīng)驗(yàn)，這個碩大無朋的擺應(yīng)該在沙盤上面畫出唯一一條軌跡。 　 　　　　　　　　　　　 國 葬院外觀 　　實(shí)驗(yàn)開始了，人們驚奇的發(fā)現(xiàn)，傅科設(shè)置的擺每經(jīng)過一個周期的震蕩，在沙盤上畫出的軌跡都會偏離原來的軌跡（準(zhǔn)確地說，在這個直徑6米的沙盤邊緣，兩個軌跡之間相差大約3毫米）。“地球真的是在轉(zhuǎn)動啊”，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，注意沙盤上畫出的痕跡 　　自轉(zhuǎn)和慣性 　　傅科的這個擺的是一個演示地球自轉(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？。 簡單的說，因?yàn)閼T性。 　　通常，我們說“地球具有自轉(zhuǎn)”的時候，我們并沒有明確出 它到底相對于什么自轉(zhuǎn)。這是一個非常重要的問題，如果沒有參 照物，談?wù)撨\(yùn)動是不可想象的。還沒有辦法在空間中打上一根釘 子作為絕對的參照物，因此，我們只能依靠較遠(yuǎn)的、看起來似乎 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，一個物體不受外力作用的時候，將一直保持它的運(yùn)動狀 態(tài)。這也是牛頓第一定律的內(nèi)容。 　　擺是一種很有趣的裝置。給擺一個恰當(dāng)?shù)钠鹗甲饔?，它就? 一直沿著某一方向，或者說某一平面運(yùn)動。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)動的諧振子。 　　現(xiàn)在，考慮一種簡單的情況，假如把傅科擺放置在北極點(diǎn)上， 那么會發(fā)生什么情況呢？很顯然，地球在自轉(zhuǎn)——相對于遙遠(yuǎn)的 恒星自轉(zhuǎn)。同樣，由于慣性，傅科擺的擺錘相對于遙遠(yuǎn)恒星的運(yùn) 動方向（平面）是不變的。（你可以想象，有三顆遙遠(yuǎn)的恒星確 定了一個平面，而傅科擺恰好在這個平面內(nèi)運(yùn)動。由于慣性，當(dāng) 地球以及用來吊起擺錘的架子轉(zhuǎn)動的時候，擺錘仍然在那個平面 內(nèi)運(yùn)動）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，顯然會發(fā)現(xiàn)擺動的平面正在緩緩的轉(zhuǎn)動，它轉(zhuǎn)動的速度大約 是鐘表時針轉(zhuǎn)動速度的一半，也就是說，每小時傅科擺都會順時 針轉(zhuǎn)過15度。 　 　　　　 擺在同一平面內(nèi)運(yùn)動，這里所說的平面是由遠(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。把擺錘的運(yùn)動看做一維諧振（單擺），由于它的運(yùn)動方向與地軸平行，而地軸相對遙遠(yuǎn)的恒星是靜止的，所以我們觀測不到傅科擺相對地面的轉(zhuǎn)動。 　　現(xiàn)在把傅科擺移回巴黎。擺錘的運(yùn)動可以分解為沿地軸方向的和與之垂直方向上的兩個分運(yùn)動。后者會產(chǎn)生相對地面的旋轉(zhuǎn)（正如北極的傅科擺）。這兩個分運(yùn)動合成的結(jié)果是，從地面上的人看來，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，得出的結(jié)論是一樣的）如果在北極的觀測到傅科擺旋轉(zhuǎn)一周的時間是A（A=24h），那么在任意緯度γ上，傅科擺旋轉(zhuǎn)一周所需的時間是A/sinγ。對于巴黎，這個數(shù)字是31.8小時。 　　傅科的巧手 　　1819年，讓傅科生于巴黎。傅科從小喜歡動手做試驗(yàn)，最初傅科學(xué)習(xí)的是醫(yī)學(xué)，后來才轉(zhuǎn)行學(xué)習(xí)物理學(xué)。1862年，傅科使用旋轉(zhuǎn)鏡法成果的測定了光速為289 000km/s，這是當(dāng)時相當(dāng)了不起的成績，因此他被授予了騎士二級勛章。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)域使用的慣性制導(dǎo)裝置的前身。此外，他還發(fā)現(xiàn)了在磁場中的運(yùn)動圓盤因電磁感應(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@個非常簡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)動的比較緩慢（相對擺的周期而言），需要一個比較長的擺線才能顯示出軌跡的差異。由因?yàn)榭諝庾枇Φ挠绊?，這個系統(tǒng)必須擁有足夠的機(jī)械能（一旦擺開始運(yùn)動，就不能給它增加能量）。所以傅科選擇了一個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。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。 　 國葬院大廳的傅科擺（示意圖） 法國巴黎國葬院的大廳 　　現(xiàn)在，巴黎國葬院中依然保留著150年前傅科擺實(shí)驗(yàn)所用的沙盤和標(biāo)尺。不僅僅是在巴黎，在世界各地你都可以看到傅科擺的身影，例如，你可以在北京天文館看到一個傅科擺的復(fù)制品　　　　　　　　 　　當(dāng)你有機(jī)會凝視這個緩慢轉(zhuǎn)動著的傅科擺的時候，是否也會像伽利略——或者150年前觀看傅科擺實(shí)驗(yàn)的觀眾那樣——發(fā)出由衷的贊嘆：“地球真的是在轉(zhuǎn)動??！” 111