教科书背后的故事

于鹏翔

汽车到底动没动？

现在请你闭上眼，在脑海中进行一场思维实验吧。想象我们在一辆封闭的、行驶起来非常平稳的车中，我们给这辆车取名为“超级汽车”。因为车厢封闭，所以坐在车里的你看不到外面。开始时你和车都是静止的，然后车非常平顺地启动了。但在行进过程中，司机驾驶的车会左转或者右转，加速或者减速。此时你一定能感受到车子的运动，因为车子只要转向、变速，它原来的状态就会被改变，而乘客原本相对于车静止的状态也会被改变。作为乘客，你会保持原本的运动趋势，这样说来，汽车右转的时候，你的身体向左倾斜，就是因为原本我们的身体就有向左运動的趋势，突然车子右转，我们的身体因为惯性还会在原本向左的运动状态上再保持一段时间。而所谓惯性就是保持你原来状态的力量，比如骑车时，你突然停止蹬车，但车子仍然能够滑行一段，这就是因为惯性使车子保持了原来的运动状态;你跑步时，突然停下来，上身会不由自主地前倾，这也是惯性的作用。这样说来，汽车右转的时候，我们的身体向左倾，就是因为原本我们的身体是静止的，车子突然右转，我们的身体因为惯性还会在原本静止状态时的位置上保持一段，所以相对向右运动的车子来说，我们的身体就是向左的。

过了一会儿，我们的超级汽车驶入另外一条车道，开始平稳地行驶，没有加速，没有减速，没有转弯，也没有震动。此时你还能感受到汽车在动吗？闭上眼睛想象一下坐在车里的感受，是不是身在其中仿佛静止一般？因为此时汽车在做平稳的匀速运动，没有受到额外的力的影响，所以我们在车内也因为没有外力影响，而感受不到汽车的运动。

地球的运动状态就与平稳运行的超级汽车相似：地球的自转不会突然加速、减速，也不会颠来颠去。与我们设想的超级汽车唯一不同的就是：地球不是走直线而是在转圈。这时候你可能会说：不对呀，转圈的时候我们还会额外感受到一个把我们甩出去的力，就像在公园玩转盘时那样。没错，由于地球是旋转的，身处其中的我们的确会受到一种向外的力。不过，地球转圈的速度很慢——自转一周需要一天的时间。所以，即使生活在距地轴最远、受这种力最大的赤道附近，你所受到的这种向外的力也不过1～2牛顿（“牛顿”是表示力量大小的单位），大约是你拿起200毫升矿泉水所需的力量。这么小的力量对我们的影响几乎可以忽略不计，我们还是会被更大的地心引力牢牢地固定在地球表面，与地球一起平稳地转圈。这时，没有外力的变化来使我们判断出自己的运动状态，我们也就感受不到地球的运动了。那我们怎么知道地球在运动呢？

证明地球在运动

除了通过受力判断运动状态，我们还有什么其他方法吗？现在，我们再回到超级汽车上。之前，这辆超级汽车的车厢是封闭的，现在我们觉得这个车厢待起来很不舒服，于是我们给它设置几扇窗户。透过车窗，我们能看到外面的风景，那么根据外面的景物，我们是不是就能判断汽车是否在运动了？当车窗外的树静止时，我们知道汽车也是静止的;当车窗外的树向后运动时，说明我们的车在向前奔驰。在物理学中，我们把这棵树称为参照物。通过参照物我们就可以知道自己的运动状态了。

假如这时我们旁边突然驶来另一辆车，我们叫它“2号超级汽车”，2号车现在在我们的窗外行驶，它的方向、速度与我们这辆车都一样，那以2号车为参照物，你还能判断我们的运动状态吗？恐怕此时你真的会迷糊了：我们所在的车到底是不是在动呢？因为旁边的2号车和我们的状态一样，我们动它也动，我们不动它也不动。所以如果以和我们状态一样的2号车为参照物，我们是无法判断自己的运动状态的。

还是回到地球上，我们在地球之外能找到合适的参照物吗？这次比较幸运了，我们现在还没有发现我们能看见的和地球运动状态一模一样的“2号地球”。我们眼睛能看到的地球外的物体都有自己的运动状态。这样一来，我们就可以凭借它们来确定地球的自转运动了。最明显的就是太阳和月亮的升落。

不过，你可能又有一个疑问：既然日月星辰都在运动，那为什么除了太阳和月亮，天上的其他星星看上去都像静止的？其实天上的星星都在运动，只是我们没有为它们定位参照物，所以很难发现它们的运动而已。如果你在建筑物附近的星空中锁定一颗星星，用不了一会儿就会发现它在远离或靠近建筑物，这样就能发现星星的移动了。

我们注意不到星星的运动，还有一个原因就是我们眼睛的“错觉”。我们的眼睛大概能看到前方160°的角度。你在眼前轻轻挥一下手，一瞬间你就能看到手划过你的面前。要是远处有一架飞机飞过，它就需要更久的时间才能飞出你的视野。飞机的速度比你挥手的速度快得多，只是因为它离我们的距离更远，所以我们感觉它运动得更慢。由此看来，离我们更远的日月星辰在我们视野中的运动速度就更慢了。

在人的视野里，一个物体的角速度（单位时间内走过的角度）越小，看上去运动得就越慢

泄露“天机”的傅科摆

除了在地球之外寻找参照物，我们在地球上还有其他途径来证明地球的自转吗？早在十九世纪，法国物理学家莱昂·傅科就发明了一种方法。傅科最早是学医的，但他由于晕血，很快就放弃了医学转向物理学。他曾经测量过光速，发现了涡电流，还给陀螺仪取了名字。而现在他最为人熟知的成就就是发明了傅科摆。当年，物理学的鼻祖伽利略就研究过摆动现象，他发现在摆动幅度小于10°的情况下，摆的运动周期只与摆线的长度有关。后来，人们由此发明了摆钟。

傅科摆模型图

1851年，傅科在巴黎先贤祠最高的拱顶下方垂下一根67米长的钢索，钢索的另一端悬挂着一颗28千克重的摆锤，摆锤的下方是巨大的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤上的指针就会在沙盘上留下运动的轨迹。在实验中，人们看到在傅科摆摆动过程中，摆动平面会沿顺时针方向缓缓转动，而摆动方向不断变化。按照日常生活经验，这个硕大无朋的摆在沙盘上应该只能画出唯一一条轨迹。但实验开始后，人们惊奇地发现，傅科设置的摆每经过一个周期的振荡，在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹，几个周期下来，就能形成一个花瓣状的运动轨迹图。于是这个实验也被称为“最美物理实验”。看到这个实验结果，人们不禁要问：单摆摆动不应该形成一条直线轨迹吗？怎么会出现花瓣状轨迹？其实这就是因为地球自转形成了一种惯性力，即地转偏向力，所以才使本来沿直线运动的单摆出现了偏转，形成花瓣状轨迹。此外，傅科摆的摆动还与纬度有关，纬度越高，傅科摆的摆动速度越快，在赤道上，几乎观察不到它的摆动现象。

如果你去北京天文馆的A展馆，一进门就能见到一个巨大的傅科摆，它在不停地向人们展示着地球的自转运动。

了解了牛顿的惯性定律、参照物的作用，以及傅科摆的最美物理实验，地球自转运动在我们眼中不再神秘。接下来请你再思考：假如地球停止转动，这个世界会发生什么呢？答案下期揭晓！