怎么证明地球在自转？他只用一根绳子和一个球，让所有科学家惊叹

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我们都知道地球在自转，那谁能证明这是真的？数百年来，科学家们拿子弹从高处垂直射击、用重物在高处做自由落地运动，结果的确显示落地物偏离垂直点。

然而这些实验都无法确保落体物不受其他因素干扰，而且偏离的部分也非常小，肉眼难以发现。换句话说，这些实验全都缺乏说服力。直到1851年，一位科学家仅用一根绳子和一个球，就完美证明了地球在自转。他是谁？实验是怎么做的？别急，让我们从头说起。

谁说地球在自转？

1514年，哥白尼提出日心说，让人们渐渐相信地球在自转。然而很少人知道，日心说其实并不是哥白尼的原创。

哥白尼的发现很大程度上要归功于前人的研究成果。他曾仔细研读亚里士多德的《天体论》。

亚里士多德支持地心说，而反对毕达哥拉斯的“日心说”。因为毕达哥拉斯追求宇宙和谐，他认为宇宙的中心是个火球（太阳），而地球不过是诸多行星中的一个，围绕着中心在日夜运转。哥白尼吸收了毕达哥拉斯的观点。此外，阿里斯塔克斯（Aristarchus）和托勒密（Ptolemy）的思想和观点，也对他造成了一定影响。

就这样，哥白尼通过研究观测数据、数学计算和理论研究，形成了自己的日心说模型。然而好不容易提出的日心说却并没有得到认可。

当时的天文学界普遍接受了托勒密的地心说，即地球位于宇宙的中心，其他天体绕地球旋转的观点。这一观点非常符合人类的虚荣心：即我就是世界的中心，所有人类都是天选之人。地心说在当时已经存在了几个世纪，而且刚好与基督教神学理论相合。

在基督教神学中，宇宙的构造被解释为“上帝创造的中心为地球”的体系，而日心说将地球置于宇宙中心以外，与这一观念相抵触。这种宗教和哲学上的争议导致了对日心说的反对。教会开始大肆打压日心说，意大利神父乌尔巴诺·布鲁诺（Giordano Bruno）因为支持日心说等哲学观点，被教会视为异端，最终被判处火刑活活烧死。

虽然此后日心说得到更广泛的传播，但由于当时的天文观测技术相对有限，无法提供足够准确的数据来证实或证伪不同天文学理论。因此缺乏充分的观测证据使得日心说难以立足。科学家们想证明地球在自转，却迟迟无法想出切实有效的实验。直到1951年，法国物理学家傅科进行了一次完美的实验。

见证地球自转的奇妙经历

傅科选择了巴黎的潘捷翁宫（Panthéon）作为实验场地。他在宫内设置了一根长约67米的钢丝绳，并在天花板上安装了一个特制的支点。把钢丝绳挂好后，傅科使用了一颗重达28公斤的铅球，并通过一根细长的铜棒将其悬挂在钢丝绳的末端。这样一来，重锤可以自由摆动而不受外界干扰。

为了记录摆锤的运动轨迹，傅科在摆锤上方悬挂了一个轻而锋利的尖针，同时在下面放有直径6米的沙盘和启动栓。随着摆锤的摆动，尖针划过沙盘，将留下了明显的痕迹。此外，为了确保实验不受外界干扰，傅科还在场地内设置了围栏。

实验还没开始，但结果实际上只有两种：如果地球没有自转，则摆的振动面将保持不变；如果地球在不停地自转，则摆的振动面在地球上的人看来将发生转动。那么重锤究竟将如何摆动？

当时所有围观者都认为震动面将保持不变。然而令人震惊的是人们清晰地发现：摆每振动一次，摆尖在沙盘上画出的路线都会发生偏移，这意味着地球的确是在自转。围观的教徒看得目瞪口呆，好久之后才喃喃自语：感觉脚底下的地球好像真的在转动！

经过事后精细的测算，这次实验中，摆每次震动会移动约3毫米，每小时偏转11°20'。也就是说经过31小时47分才会回到原处。这是地球自转的最好证明，然而地心说的支持者依然不肯相信，他们随即在不同地点重做实验，包括当时的巴黎天文台也做了一次。然而他们的噩梦出现了，因为无论怎么做，结论都相同：地球的确在自转！

经过多次实验，人们发现：振动面的旋转周期随地点而异，其周期正比于单摆所处地点的纬度的正弦，在两极的旋转周期为24小时。振动面旋转方向在北半球为顺时针，南半球则为逆时针。地球自转就这样被傅科轻松证明了，他因此被授予荣誉骑士五级勋章。

原理是什么？

傅科摆利用了科里奥利力（Coriolis force）的作用。科里奥利力是由于地球自转引起的虚想力，它对移动在地球表面上的物体产生影响。当物体在北半球向北或南半球向南运动时，科里奥利力会使其偏转向右侧；反之，当物体在北半球向南或南半球向北运动时，科里奥利力会使其偏转向左侧。

傅科摆利用这个原理，通过让摆锤在一定时间内保持摆动，可以观察到摆动平面的旋转。为了最大限度地减小外部因素对实验的干扰，傅科摆通常被放置在长时间不受扰动的环境中，例如高空的大厅或穹顶下。

当摆锤开始摆动时，由于科里奥利力的作用，摆动平面会逐渐旋转。在北半球，摆动平面按顺时针方向旋转；在南半球，摆动平面则按逆时针方向旋转。通过记录摆动平面的旋转情况和时间，可以确定地球自转的存在及其速度。

此外傅科摆的三个装置也各有用处。67米的钢丝绳能增加摆动周期，周期越长，摆移动的幅度就越大，表现在沙盘上就会更明显；28公斤的铅球则避开了气流受阻的问题，足够的重力最大程度避免了干扰；天花板上特制的支点是最关键的。

摆的运动可以超然于地球的自转，但悬挂摆的支架一般却要带动它参与地球的自转。为解决这一问题，傅科采用了一种叫万向节的巧妙装置。这种万向节由内球面和外球面组成。内球面固定在一个轴上，外球面固定在另一个轴上。两个球面之间填充润滑剂以减少摩擦，并确保平稳的旋转。万向节的存在，可以使摆动平面超然于地球的自转，为整个实验奠定了基础。

写在最后

地球的自转使得地球表面不断地向太阳暴露和背离，从而产生了昼夜的交替。白天太阳照射地表，提供能量和光线，支持植物光合作用和生物活动；而夜晚则提供了休息和恢复的时间。昼夜交替对于地球上生物的进化、行为和代谢都起到了重要的调节作用。使人类、动物和其他生物通过对日光周期的感知和适应来调整各种生理和行为活动。为人类社会提供了时间和日历的基础，帮助我们组织和协调日常生活和各种活动。

同时地球的自转给物体表面造成了离心力和地球自转力。这些力对地球的形态和地理特征产生了影响，例如地球的赤道部分因为受到最大的离心力而略微鼓起，形成了地球的赤道膨胀现象。地球的自转力也对大气和海洋环流产生了影响，推动了风、洋流和天气系统。

地球的自转对导航和定位系统（如全球卫星导航系统）也至关重要。通过测量地球自转的角速度和方向，可以确定位置、方向和时间。这些信息在航海、航空、导航、地理定位和科学研究等领域都扮演着重要的角色。

总的来说，地球的自转不仅给我们带来了日夜交替和时间基准，还对生物、地质和导航系统等方面产生广泛而重要的影响。傅科摆实验是一项非常重要且引人入胜的物理实验，通过观察摆锤的摆动平面变化，我们能够直观地感受到地球自转的奇妙。这项实验不仅深化了我们对地球运动的理解，也是科学教育中的经典实验之一。他清楚证明了地球自转，为那些因为支持日心说而遭难的学者昭雪平冤，以科学的精神让真理战胜了谬误。

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