有什么方法能直观地感受到或者亲眼看到地球的自转?

零维立方体

话说“坐地日行八万里”,地球在不停自转,自转速度还挺快,地球表面线速度接近500米/秒。但是,地球对于人类的尺度还是太大,如果不是到一望无际的海洋,或者飞上万米高空,都很难感受到地球是圆的这个事实。因此,即便地球自转速度很快,但要感受到地球的自转,是需要点科学的思维的。

地球自转的最直观的感受,就是太阳每天的东升西落,在不同的纬度,太阳的升起和落下的时间是不一样的,前提是要认为太阳是恒星——是地球在动,而不是太阳在动(实际上太阳也在运动)。如果坐上太空飞船,到地球的轨道上去,如果绕地轨道不是同步轨道,就能看到地球的自转,因为飞船绕地转动和地球自转速度不同,每次朝下看的地面是在发生变化的。只是,目前全世界也没几个人这么看过地球的自转。

如何在地面上直接验证地球的自转呢?

1851年,法国科学家傅科就完成了这个实验。他在法国的先贤祠立了一个巨大的摆锤,摆线的长度67米,摆锤的重量28公斤,这个摆就能验证地球的自转,后来被称之为“傅科摆”。感兴趣的,可以去中国科技馆、北京天文馆、国家授时中心的时间科学馆等,一进门都能看到这个巨大的傅科摆。为什么傅科摆可以验证地球的自转? 我们知道,摆是一个周期性运动很好的系统,如果摆动角度足够小(例如5度以内),摆线受到的摩擦力几乎忽略不计,摆锤足够重也就惯性足够大,以致于空气阻力也可以忽略不计,那么这么又大又重的摆,其周期和摆动平面都是几乎不变的。傅科正是做到了这几点,他还在地面设置了一个巨大的圆形沙盘,人们围着沙盘看摆锤运动。人们发现,经过足够长的时间,摆锤运动的平面和沙盘的相对角度是在发生变化的!这说明,沙盘和摆锤平面之间存在相对运动,最直接的想法就是沙盘自己在转动,也就是地球在自转。因为经历24小时之后,摆锤平面又恰好回到原点角度!

地球在自转的证据,也可以从理论上来解释,那就是科里奥利力的存在。我们知道,对于一个惯性系中物体做匀速运动(速度方向和大小均不变),其轨迹是一条直线。但是如果放到一个旋转的体系里面,同样是匀速运动,其轨迹就是一条曲线。可以等效地认为物体受到旋转体系的力——科里奥利力来简单描述这个效果。用最简单的话来说,假如地球是没有自转的,那么从低纬度到高纬度的匀速运动,就是一条经线,但是因为地球自转的存在,实际上是一条被扭曲了的经线——像螺旋线一样。

科里奥利力的存在(本质上的地球自转,是一种等效力,并不是真实存在的力),可以自然地解释傅科摆的运动轨迹,如果把摆锤相对沙盘运动的轨迹画出来,就会发现其中奥妙。在地球科学上,科里奥利力的效应十分明显,比如河道的一边往往比另一边冲刷的更厉害,比如地球上的信风吹的方向在南北半球是不一样的,热带气旋(台风或飓风)旋转的方向在南北半球也是不一样的(北半球逆时针,南半球顺时针)。读者有心关注一下天气预报图片,就会发现这个秘密。至于马桶中水流方向的选择,基本上和科里奥利力无关,而是马桶本身的设计造成的。


飞贼克斯和康德马特

不知怎样才能算是题主要的“亲眼看到地球的自转”,要严格的亲眼看见,或许你需要飞出地球。比如当你站在了月球的正面,由于地球没有被月球潮汐锁定,故在月球上能够看到地球的自转。

当然了,不飞出地球也能通过一些现象得知地球在自转。地球在自转,导致了地球是一个非惯性系,在非惯性系中牛顿运动定律并不成立,可以据此知道地球是在转动。人类最早用实验证实地球在转动用的是一个叫做傅科摆的装置,傅科悬挂了一个大摆,如果地球不转,那么摆来回摆动时的平面会保持固定,实验却发现摆动时的平面会旋转。傅科摆摆动平面的转动说明了地球是一个非惯性系,地球的转动由此得到了验证。

如果不引入惯性力的概念,牛顿运动定律就会在非惯性系中失效。地球由于自转是一个非惯性系,所以需要引入惯性力的概念。科里奥利力(地转偏向力)就是一种由于地球自转引入的惯性力。

科里奥利力的出现就是因为地球会自转,与科里奥利力相关的现象都可以理解为是地球自转的证据。根据科里奥利力的公式F= -2mω×v'可知在北半球地面上运动的物体会受到向右的科里奥利力,这样会导致北半球右侧河岸被冲刷的较严重,南半球则是左侧河岸冲刷的较严重。

还有,自由落体的东偏、气旋、洋流偏转等现象也与科里奥利力有关。这些现象自然就能够和地球的自转牵扯在了一起。

这里还需要指出一个常见的误区,很多人误以为马桶里水流旋转的方向是与科里奥利力有关的,这是错误的。科里奥利力很小,根本影响不到马桶里水流的方向。在一些赤道线穿过的国家,有人会给游客表演水流“实验”索取一些小报酬,“实验”显示在赤道的这边水流顺时针,到了赤道的那边水流就会变成逆时针,在赤道线上则不转。他们的实验只不过是在倒水时将水倒在合适的位置,倒在不同的位置能控制水流的方向。如果游客要求自己倒水试一试,他们会不允许的。