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(dòng)的擺 無(wú)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(wú)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(shuō)的時(shí)候,有人記載說(shuō),伽利略喃喃自語(yǔ)道:“可是地球仍然在動(dòng)?。 辟だ允欠裾f(shuō)過(guò)這句話已經(jīng)不可考,按理說(shuō)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(shuō)出的“異端”言論,并且把它記錄了下來(lái),更何況當(dāng)時(shí)伽利略已經(jīng)神志不太清醒。圣經(jīng)說(shuō)大地是不動(dòng)的;而現(xiàn)在,即使是小學(xué)三年級(jí)的學(xué)生也知道地球存在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。那么,一個(gè)問(wèn)題是,如何觀察到地球 的運(yùn)動(dòng)——比如自轉(zhuǎn)呢? 150年前的實(shí)驗(yàn) 時(shí)間回溯到1851年的巴黎。在國(guó)葬院(法蘭西共和國(guó)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(zhǎng)的繩索,繩索的下面是一個(gè)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(guò)沙盤上方的時(shí)候,擺錘上的指針就會(huì)在沙盤上面留下運(yùn)動(dòng)的軌跡。按照日常生活的經(jīng)驗(yàn),這個(gè)碩大無(wú)朋的擺應(yīng)該在沙盤上面畫出唯一一條軌跡。 國(guó) 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(guò)一個(gè)周期的震蕩,在沙盤上畫出的軌跡都會(huì)偏離原來(lái)的軌跡(準(zhǔn)確地說(shuō),在這個(gè)直徑6米的沙盤邊緣,兩個(gè)軌跡之間相差大約3毫米)?!暗厍蛘娴氖窃谵D(zhuǎn)動(dòng)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(gè)擺的是一個(gè)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(jiǎn)單的說(shuō),因?yàn)閼T性。 通常,我們說(shuō)“地球具有自轉(zhuǎn)”的時(shí)候,我們并沒(méi)有明確出 它到底相對(duì)于什么自轉(zhuǎn)。這是一個(gè)非常重要的問(wèn)題,如果沒(méi)有參 照物,談?wù)撨\(yùn)動(dòng)是不可想象的。還沒(méi)有辦法在空間中打上一根釘 子作為絕對(duì)的參照物,因此,我們只能依靠較遠(yuǎn)的、看起來(lái)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(guò)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(gè)物體不受外力作用的時(shí)候,將一直保持它的運(yùn)動(dòng)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(gè)恰當(dāng)?shù)钠鹗甲饔?,它就?huì) 一直沿著某一方向,或者說(shuō)某一平面運(yùn)動(dòng)。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(dòng)的諧振子。 現(xiàn)在,考慮一種簡(jiǎn)單的情況,假如把傅科擺放置在北極點(diǎn)上, 那么會(huì)發(fā)生什么情況呢?很顯然,地球在自轉(zhuǎn)——相對(duì)于遙遠(yuǎn)的 恒星自轉(zhuǎn)。同樣,由于慣性,傅科擺的擺錘相對(duì)于遙遠(yuǎn)恒星的運(yùn) 動(dòng)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(gè)平面,而傅科擺恰好在這個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于慣性,當(dāng) 地球以及用來(lái)吊起擺錘的架子轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,擺錘仍然在那個(gè)平面 內(nèi)運(yùn)動(dòng))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(huì)發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)的平面正在緩緩的轉(zhuǎn)動(dòng),它轉(zhuǎn)動(dòng)的速度大約 是鐘表時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)速度的一半,也就是說(shuō),每小時(shí)傅科擺都會(huì)順時(shí) 針轉(zhuǎn)過(guò)15度。 擺在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),這里所說(shuō)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(dòng)。把擺錘的運(yùn)動(dòng)看做一維諧振(單擺),由于它的運(yùn)動(dòng)方向與地軸平行,而地軸相對(duì)遙遠(yuǎn)的恒星是靜止的,所以我們觀測(cè)不到傅科擺相對(duì)地面的轉(zhuǎn)動(dòng)。 現(xiàn)在把傅科擺移回巴黎。擺錘的運(yùn)動(dòng)可以分解為沿地軸方向的和與之垂直方向上的兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)。后者會(huì)產(chǎn)生相對(duì)地面的旋轉(zhuǎn)(正如北極的傅科擺)。這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果是,從地面上的人看來(lái),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(cè)到傅科擺旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)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(shí)間是A/sinγ。對(duì)于巴黎,這個(gè)數(shù)字是31.8小時(shí)。 傅科的巧手 1819年,讓傅科生于巴黎。傅科從小喜歡動(dòng)手做試驗(yàn),最初傅科學(xué)習(xí)的是醫(yī)學(xué),后來(lái)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(cè)定了光速為289 000km/s,這是當(dāng)時(shí)相當(dāng)了不起的成績(jī),因此他被授予了騎士二級(jí)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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(gè)非常簡(jiǎn)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(jí)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(dòng)的比較緩慢(相對(duì)擺的周期而言),需要一個(gè)比較長(zhǎng)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(gè)系統(tǒng)必須擁有足夠的機(jī)械能(一旦擺開始運(yùn)動(dòng),就不能給它增加能量)。所以傅科選擇了一個(gè)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(dòng)。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(guó)葬院大廳的傅科擺(示意圖) 法國(guó)巴黎國(guó)葬院的大廳 現(xiàn)在,巴黎國(guó)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(gè)傅科擺的復(fù)制品 當(dāng)你有機(jī)會(huì)凝視這個(gè)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)著的傅科擺的時(shí)候,是否也會(huì)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(dòng)?。 ? 111- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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