北京天文馆——傅科摆

北京天文馆老馆一进门，在正厅就看见著名的傅科摆。因为证明了地球的自传，这个摆名气很大。如果把摆放到北极点，它的振动面会24小时转一周，这恰好表明地球24小时自传一周。根据北京地区的纬度，这里的傅科摆37小时转一周。因此北京天文馆里在傅科摆悬点正下方设有两个刻度圆环，一个表示角度，360度，一个表示时间37小时。为了不受地球自传影响，摆的悬点应该是万向节设置，可是发现悬点下不远有一横梁，这似乎有问题，摆线有和横梁接触的时候，会造成不小的阻力。

傅科摆英文名称：Foucault pendulum 定义：仅受引力和吊线张力作用而在惯性空间固定平面内运动的摆。应用学科：航空科技（一级学科）；飞行控制、导航、显示、控制和记录系统。

为了证明地球在自转，法国物理学家傅科（1819—1868）于1851年做了一次成功的摆动实验，傅科摆由此而得名。实验在法国巴黎的一个圆顶大厦进行，摆长67米，摆锤重28公斤，悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。这种摆惯性和动量大，因而基本不受地球自转影响而自行摆动，并且摆动时间很长。在傅科摆实验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。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。在北半球时，摆动平面逆时针转动；在南半球时，摆动平面顺时针转动，而且纬度越高，转动速度越快；在赤道上的摆几乎不转动。傅科摆摆动平面偏转的角度可用公式θ°=15tsinφ来求，单位是度。式中φ代表当地地理纬度，t为偏转所用的时间，用小时作单位，因为地球自转角速度1小时等于15°，所以，为了换算，公式中乘以15。如果在北极的观测到傅科摆旋转一周的时间是A（A=24h），那么在任意纬度γ上，傅科摆旋转一周所需的时间是A/sinγ。对于巴黎，这个数字是31.8小时。对于北京，这个数字是37.4小时。

北京天文馆大厅里也有一个巨大的傅科摆，时时刻刻提醒人们，地球在自西向东自转着。可以按上述公式我自己计算一下：

巴黎纬度49° sin49°=0.7547 24/0.7547=31.8小时

北京纬度39.9° sin39.9°=0.6414 24/0.6414=37.4小时

工作原理：

证实地球自转的仪器，是法国物理学家傅科于1851年发明的。地球自西向东绕着它的自转轴自转，同时在围绕太阳公转。观察地球的自转效应并不难。用未经扭曲过的尼龙钓鱼线，悬挂摆锤，在摆锤底部装有指针。摆长从3米至30米皆可。当摆静止时，在它下面的地面上，固定一张白卡片纸，上面画一条参考线。把摆锤沿参考线的方向拉开，然后让它往返摆动。几小时后，摆动平面就偏离了原来画的参考线．这是在摆锤下面的地面随着地球旋转产

生的现象。

由于地球的自转，摆动平面的旋转方向，在北半球是顺时针的，在南半球是反时针的。摆的旋转周期，在两极是24小时，在赤道上傅科摆不旋转。在纬度40°的地方，每小时旋转10°弱，即在37小时内旋转一周。

显然摆线越长，摆锤越重，实验效果越好。因为摆线长，摆幅就大。周期也长，即便摆动不多几次（来回摆动一二次）也可以察觉到摆动平面的旋转、摆锤越重，摆动的能量越大，越能维持较长时间的自由摆动。图中拍照的是悬挂在北京天文馆球形展览大厅天花板上的傅科摆摆锤部分。