地球“動”、“靜”之謎
我們從中學地理課上學到，地球繞自轉軸自西向東轉動，自轉一週耗時約23小時56分。
可是歷史上人們對地球自轉的認識經歷了一個長期的過程。不論是古代中國還是古希臘，都存在地球“動”、“靜”兩種觀點。
在16世紀哥白尼提出“日心說”並從理論上證明地球自轉的存在後，人們逐漸接受了地球自轉這一觀點，可是如何從實驗上證明地球自轉並讓人們觀察到成為一道難題。
英國物理學家胡克曾做過子彈從高處下落的實驗, 並證明了子彈的落點總是“落到通過垂直懸吊著的同樣的子彈所求出的垂直點的東南方向”。德國也曾有學者利用一個礦井做落體實驗檢驗到了地球的自轉。但是，這些實驗無法直接向觀眾演示, 因為偏離過於微小, 實驗的初速度每次是否嚴格豎直向下也很難保證,氣流的干擾也會嚴重影響實驗結果。
穿越回巴黎
如何驗證地球自轉這一問題在1851年的巴黎先賢祠裡得到了完美的解決。
在此之前先向大家介紹今天的主人公傅科（Jean Bernard Léon Foucault，1819-1868）
他是十九世紀法國傑出的實驗物理學家
這位物理學家早年執著於天文攝影技術的研究
在不斷嘗試之後設計了一個精妙絕倫的實驗演示
來證明地球的自轉
其設備之簡單，設計之巧妙，現象之明顯，結論之直觀
被譽為物理學史上最美麗的實驗之一
讓我們坐上時光機，回到1851年巴黎的先賢祠（Panthéon）。
假裝穿越中
（時光機正在飛行）
咻 ~咻咻~咻咻咻~
咻~咻~
咻~
額、、、 (?￣△￣)?
這是2018年的先賢祠，讓我們就在這穿越回去吧
再次穿越中
（時光機飛行中）
咻 ~咻咻~咻咻咻~
咻~咻~
咻~
好的，成功穿越
咱們來的正是時候，先賢祠的大廳裡擠滿了穿著盛裝的人們，彷彿在參加一場宴會，還有很多人陸陸續續進場想要親眼見證物理學家先前宣傳欄裡寫的“來看看地球自轉吧”。
傅科正在向大家介紹實驗的基本情況：選用了一個直徑為30 釐米、重28千克的擺錘, 擺線長67 米，懸掛在大廳屋頂的中央，並且可以在任何方向自由擺動，擺錘的下面放有直徑6 米的巨大沙盤。如果擺錘經過沙盤上方, 擺錘下面的指針就會在沙盤上面留下運動的軌跡。將擺錘高高地拉向一側，用繩子拴在牆上。當一切都平靜後，就放火燒斷拴擺錘的繩子。繩斷了，擺錘就會開始擺動。實驗馬上就要開始了，大家屏住呼吸，生怕自己呼出的氣流影響擺錘的穩定。
只見火苗燒斷了拴住擺錘的繩子，擺錘順勢開始做單擺運動。按照慣性定律，擺錘會在同一平面內運動，在沙盤上畫出唯一軌跡。可是隨著時間的推移，人們驚奇地發現擺錘的軌跡沿順時針方向發生了偏轉，擺錘每經過一個週期在沙盤上畫出的軌跡都會偏離原來的軌跡。經現場科學家測量，每經過一個週期的振盪（週期約為16.5 秒），兩個軌跡之間就會相差大約3 毫米，每小時偏轉11°20' ，約31 小時47 分擺錘回到原處。我們彷彿聽到有人在驚呼：“腳下的地球好像真的在轉動啊！”
科普時間到！
傅科擺實驗轟動了巴黎，同時也被歷史所銘記，接下來讓我們回到現實，一起來分析一下有趣的傅科擺和地球自轉。
首先，我們來看本次實驗的精妙之處：
第一, 他利用了很長的擺線, 可以讓擺動的時間足夠長而便於觀察；
第二， 他使用了質量很大的擺球, 質量大可以增大慣性, 在擺動開始的時候具有足夠的機械能，並可以減少空氣阻力帶來的影響；
第三，普通懸掛擺的支架會帶動擺參與地球的自轉，為解決這一問題，傅科採取了一種簡單而巧妙的裝置----萬向節，擺線可以在任意方向運動, 這有利於保持擺動平面不變化。
為什麼傅科擺沿順時針改變擺動方向說明了地球在沿逆時針方向自轉呢?
這是由單擺的物理特性得出的結論。從單擺的物理特性出發，給擺一個恰當的起始作用力，它就會一直沿著某一方向，或者說某一平面運動。如果擺的擺角小於5 度的話，擺錘可以視為做一維運動的諧振子。把擺錘的運動看做一維諧振，傅科擺擺動起來以後並不改變擺動方向，然而我們站在地球上，看不到地球的轉動，卻看到傅科擺是在沿順時針方向轉動了一定的角度，不斷地改變它的擺動方向，這說明擺動平面和地球發生了相對轉動，這便證明了地球發生了自轉。簡單地說就是擺動平面沒有變，而是腳下的地球在轉動。從上往下看，地球在北半球沿逆時針自轉，在南半球沿順時針旋轉，因此擺的擺動方向在北半球是順時針的，在南半球是逆時針的。
傅科擺示意圖
是不是在地球的任何地方都可以觀察到傅科擺擺動平面的轉動呢?
答案是在赤道上觀察不到傅科擺的轉動。
兩極和赤道處的擺動平面
擺錘在沙盤上的運動軌跡可近似地認為處在擺錘靜時在地球的投影點的切面上。在北極(南極)處，這個切面和地軸垂直，很容易便觀察到擺動平面和地球的相對轉動；但在赤道處，這個切面和地軸是平行的, 所以就無法再觀察到相對轉動了；在介於極地和赤道之間的地方, 擺錘的運動可以分解為沿地軸方向的和與之垂直的方向上的兩個分運動, 後者會產生相對地面的旋轉，這兩個分運動合成的結果是，從地面上的人看來，傅科擺以某種角速度緩慢的旋轉——介於在北極和赤道的角速度之間。這就是在各地利用傅科擺實驗觀察地球的自轉, 所觀察到的週期不同的緣故。如果在北極觀測到傅科擺旋轉一週的時間是A（A=24h），那麼在任意緯度γ上，傅科擺旋轉一週所需的時間是A/sinγ。
如今，除了巴黎先賢祠裡還保存著當年傅科做實驗用過的沙盤外，在世界各地的很多科技展館都有小型或者微型的傅科擺向觀眾展示地球的自轉運動。
巴黎先賢祠內的傅科擺
北京天文館的大廳裡也有一個傅科擺，一個系在圓彎頂上垂下的長長細線下端的金屬球來回擺動著，下面是一個刻著度數的鐵製大圓盤，人們可以由此讀取擺動平面旋轉的度數。下次來北京旅行的你可以去天文館親自感受一下“坐地日行八萬裡”的豪邁。
北京天文館裡的傅科擺
參考文獻
1. 王巖松, 王文全, 苗元華, 等. 地球真的在自轉啊——米歇爾·傅科擺實驗——“最美麗”的十大物理實驗之四[J]. 物理通報, 2003(7):42-45.
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4. 朱亞紅. 史上最美的物理實驗——傅科擺實驗[J]. 物理之友, 2015(4).
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