1、从傅科摆原理出发制作认识地球自转的简易教具 李耀成 徐清洪 柳州铁一中学 收稿日期：2016-10-14Received： 2016-10-14傅科 (Jean-Bemard-leon Foucault, 1819-1868) 法国物理学家.他最著名的发明是显示地球自转, 后人用他的名字命名的傅科摆.笔者从傅科摆的原理发出, 研制了认识地球自转的简易教具, 此教具用于教学中效果很好, 以下是我们制作及使用此教具的体会和说明.图 1 为一台小型化和仪器化的傅科摆, 它是模拟法国物理学家“傅科”于 1851年在巴黎一座教堂里安装的一个摆长 67m, 摆锤 28kg 的单摆, 用它能够直观地演示地球
2、的自转, 同时也能显示科里奥利力的存在.由于该仪器内设有电子补能装置, 只要它开始摆动, 就能连续工作不会停下来, 在仪器下部水平基准盘上有着 360刻线, 清晰而准确, 定位方便.图 1 傅科摆 下载原图原理:如图 2 所示, 傅科摆摆动时, 在摆动平面垂直的方向上不受外力, 由于惯性, 摆球的摆动平面应保持原来的平面不偏转, 但由于地球的自转, 结果使地面上物体“相对摆平面”的位置会发生偏转, 而在地球上的人习惯于以地面的物体为参照系, 就会感觉摆平面相对于地球的位置发生了相反的偏转.此时“傅科摆”受到了两种惯性力的作用, 即惯性离心力和科里奥利力, 是科里奥利力的作用引起了重锤摆动平面的
3、旋转.图 2 傅科摆摇动、偏转分析 下载原图我们知道地球的自转匀速而且非常缓慢, 它的角速度:=7.29210rad/s, 因此傅科摆受其影响很小, 不易在短时间内察觉到它的明显变化, 但因“傅科摆”能长时间地摆动工作, 经过长时间的积累就可以显示出这种缓慢的变化效应了.在广西柳州, 要能够观察到摆平面旋转 10, 仍需要近两个小时左右的等候时间.通过摆面的偏转, 可使学生亲眼“看”到地球在自转, 这给学生带来了及其浓厚的学习兴趣和神秘感, 可极大地激发学生的求知欲和好奇心.为了易于操作和方便观察傅科摆的这种偏转现象, 从傅科摆原理出发自制了一台简易教具, 如图 3 所示.图 3 自制简易教具
4、 下载原图我们将装上滚轮的木制三角架放在桌面上, 使架内悬挂着的摆球沿某一方向摆动起来, 由于惯性, 摆平面始终沿着初始方向摆动着, 然后再按动电源开关, 使三角架下的电机通电后带动整个三角架缓慢匀速地转动起来, 我们使用的是常见的 220V, 4 W, 5r/min 的电风扇摇头电机, 借以模拟地球的自转, 使学生清楚地看到木三角架内摆球的平面若以桌面上的物体为参照系, 摆动的初始方向一直未变, 如果以随着转动的木三角架为参照系, 就会观察到是摆平面发生了偏转, 这就是我们观察到的傅科摆重锤平面偏转的事实, 通过这个事实能说明地球本身处于自转状态, 以及自转引发的摆球摆平面反向转动原理.从傅科摆原理出发制作的简易教具, 可使学生在很短时间内就能理解和领会因地球的自转而引发摆动平面的偏转的原理, 将神奇变成了易懂, 将神秘变成了通俗.有傅科摆仪器的学校也不妨自制一件这样的“启发式”教具, 相信一定也能够收到“事半功倍”的教学效果.
