先来说说运用到的第一个原理,也就是摆的等时性,我们知道单摆的周期公式为
也就是说,单摆一次全振动的周期只和摆长以及当地的重力加速度有关。
因此,利用等时性,让摆控制擒纵叉,从而控制了棘轮可以在相等的时间内转过相同的角度,当然,这也是为什么我们可以一直听到滴答滴答声音的原因。
然而,由于阻力的存在,对于一个单摆来说,终究会有停下的时候。然而,钟摆却可以始终不停止的摆动着,其原因也在于擒纵装置。(看下面模拟的动图)
我们可以看到,棘轮上有一个小螺帽,在下降,它的作用是什么?很明显,为了提供动力。(当然,提供动力的装置有很多种,可以是发条,可以是电动等等)
现在,重点讲解下擒纵装置。
棘轮实际上是在动力的带动下转动的,上方的齿轮推开擒纵叉上方的棘爪,使棘轮转过一个角度,同时单摆进行半次全振动,使擒纵叉下方的棘爪转过来挡住了棘轮的去路。
再接下来,由于重力作用,单摆往回进行剩下的半次全振动,使擒纵叉上方的棘爪再一次挡住棘轮的转动。
之后,棘轮又一次在动力的带动下,推开上方的棘爪……此处省略无数字。
1657年,荷兰物理学家和天文学家C.惠更斯利用摆的等时性原理和巧妙的设计,一个摆钟就诞生了。后经不断改进,沿用至今。这里纪念一下。
其次,单摆就可以用来测量某地的重力加速度。原理,当然也是根据单摆的周期公式,测出摆长及周期后,计算后可得重力加速度~
装置如图:
(这个实验,同学们都有亲手操作过,也不多做介绍了)
最后,(进入我们今天的正题)
单摆验证了一个大事实:“地球在自转”
当然啦,我知道,肯定有茫茫多的人认为:我们是飞到了地球外面,看到了地球在自转才证实了地球在自转的~(哎~)
好了,故事大概是这样的:1851年,法国物理学家傅科,在法国巴黎先贤祠最高的圆顶下方,设置了一个摆长67米,摆锤重28公斤的单摆,悬挂点也经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。
(悬挂点的简易示意图)
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。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面留下运动的轨迹。按照日常生活的经验,这个硕大无比的摆应该在沙盘上面画出唯一一条轨迹。然而,实际现象却不是如此,这个摆每经过一个周期,,在沙盘上画出的轨迹都会偏离原来的轨迹(准确地说,在这个直径6米的沙盘边缘,两个轨迹之间相差大约3毫米)。
(好了,接下来解释一下原因)
地球那么复杂,所以要来简化一下模型。(把地球砸砸扁先~)
于是地球就变成了一个,额~圆盘~~接下来我们在这个圆盘上,也就是地球北半球上,将一个单摆悬挂于某一点。
好了,圆盘转起来,单摆摆起来,上帝视角观察一下~可以观察到什么呢?(上帝视角指:从北半球正上方往下看,=,=)
接下来地球逆时针转过一个角度后
单摆由于受地球自转影响很小,因此,还在原来方向上振动,但是,留下的轨迹与原来的轨迹很明显存在了一个夹角。
(北半球上始终沿运动方向向右偏,南半球上始终沿运动方向向左偏)
那么,认真上地理课的小朋友应该也马上意识到了,单摆轨迹会变的原因,其实是因为受到“地转偏向力”的作用~!!(知识点关联的不错~)
地球是一个非惯性参考系,因为地球既在自转,又在公转。因此,但我们以地球为参照系观察物体运动的是时候,会发现物体多受到一个力,在物理中,我们称为“科里奥利力”,(PS:大学力学必考O,O)而地理科学领域中的地转偏向力,就是科里奥利力在沿地球表面方向的一个分力。
那么故事的最后呢,人们为了纪念傅科,就把这个摆称为傅科摆
该实验也被评为“物理最美实验”之一。
来源:格奉物理组的峥敏老师,如有侵权请联系删除
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