傅科摆实验的改进

2011-10-20梁兰菊张裕仕田贵才

赤峰学院学报·自然科学版 2011年12期

关键词：摆锤枣庄圆盘

刘洁，闫昕，梁兰菊，张裕仕，薛冬，田贵才

（枣庄学院光电工程学院，山东枣庄 277160）

傅科摆实验的改进

刘洁，闫昕，梁兰菊，张裕仕，薛冬，田贵才

（枣庄学院光电工程学院，山东枣庄 277160）

介绍一种傅科摆模拟演示装置及对传统傅科摆实验测量方法的改进.该装置体积小，结构简单，演示时间短；传统傅科摆用测一定时间内偏转角度的方法，为方便测量，使用测偏转360度所需时间的研究方法.这样可以实现课堂的教学演示，并提高了实验精确度，有助于物理实验教学的研究，是教师演示和学生学习傅科摆的有力助手.

傅科摆，演示装置，测量方法

1 引言

1851年,法国著名物理学家傅科（Foucault JeanBernar Leon）为验证地球自转进行了一系列壮观的实验,所用的实验装置被后人称为傅科摆.这也是人类第一次用来验证地球自转的实验装置.

傅科摆的摆锤直径0.30m,摆锤质量28kg,摆线长达67m,对于这样的庞然大物,一般的大学实验室根本无法容纳得下,更不用说在课堂上当堂演示了.另外还由于摆平面偏转周期为35小时,因此学生难以在课堂上甚至在实验室观察到傅科摆振动的全过程.为克服第一个困难,现已有将传统的庞大装置改造为适宜于实验室演示的较小型化结构FKB-1型傅科摆问世.

但其体积仍较大,不易搬动,特别是对上述第二个困难没有克服,故仍无法当堂向学生展示傅科摆运动的全部过程.为此我们研究并制作了如图2所示傅科摆模拟装置,

2 实验原理

傅科摆沿顺时针改变摆动方向说明地球在沿逆时针方向自转，这是由单摆的物理特性得出的结论.傅科摆摆动起来后并不改变摆动方向，然而我们站在地球上看到傅科摆是在沿顺时针方向转动了一定的角度，不断地改变它的摆动方向.分析这种现象，摆在摆动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向不会改变，因而可知，这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球是在自转.傅科摆放置的位置不同，摆动情况也不同.用公式表示为：

T——摆动平面转动周期

ω——转动圆盘转动的角速度

φ——傅科摆所在纬度

3 实验对比

3.1 原始实验的装置

图1 FKB-1型傅科摆结构图

测量方法：打开仪器门，将傅科摆从支架上放下，接通傅科摆电源，红色指示灯亮，摆动傅科摆使其保持8cm左右的摆幅，调整底座上的刻度盘指示方向与傅科摆摆动平面平行，后关好门.过一个小时再观察摆动的平面.与开始时的摆动平面位置向比较，可以读出大约7.8°的角位移.

3.2 改进实验的装置

图2 改进后的傅科摆结构图

我们研制的傅科摆模拟装置如图2所示，它由1、顶端 2、摆线3、摆球 4、圆盘5、底座 6、传动装置7、转动装置 8、支架等部件组成.

测量方法：在圆盘上确定一条直线，将摆球拉离平衡位置，无出速度释放，使摆球沿此直线在竖直平面内来回自由摆动.打开电源开关使圆盘转动，模拟地球自转，相当于傅科摆在地球自转的环境中摆动，当摆动平面相对于确定直线旋转360度，测所需时间T.

3.3 实验数据（以枣庄和威海两地为例）

a.在枣庄（纬度34.5°）测得其摆面偏转周期为T1=80s,根据公式（1），计算出圆盘转动的角速度ω为0.139rad/s.

b.因为实验装置不变，在威海（纬度37.31°）圆盘转动的角速度仍为ω，利用公式（1），计算出摆面偏转周期为T2=75s.

c.根据装置测出摆面在威海的偏转周期T3=72s，与计算出的周期T2相比较，存在3s的差异.此误差由装置本身、环境因素、人为因素等造成.

d.傅科摆偏转周期与所在地纬度的关系可用图形表示为：

4 总结

本作品实验仪器体积小（摆锤质量200g，摆锤直径3cm，摆线长30cm）,结构简单，改善了传统的实验课演示仪器；改变传统测一定时间内偏转角度的方法，通过测偏360度所用时间，以此简化实验操作；用角速度大于地球自转角速度的转盘来模拟地球的自转，以此缩短观察傅科摆振动全过程所需时间，便于课堂演示；既可有效地证明地球自转又可用于观察单摆现象，便于加深学生对实验现象的理解.作品的意义在于将改进傅科摆用于力学实验，便于在课堂演示，克服了原装置结构复杂，测量时间长，测量偏转角度不方便的缺点.本作品可以运用到大学物理力学实验教学中，可以提高教学质量和效果，同时也为进一步的创新和研究打下基础.也存在一些技术难点如难以克服摩擦、空气阻力等影响，实验结果难以精确化.