傅科摆通过以下关键原理和实验设计,成功证明了地球的自转:
惯性定律
摆锤在无外力作用下会保持初始运动状态(牛顿第一定律)。地球自转导致地面旋转,但摆锤因惯性倾向于保持原方向摆动,这种方向偏转表明地球在自转。
科里奥利力
地球自转产生科里奥利力,对摆锤施加与自转方向相反的扭矩,使摆锤摆动平面发生旋转。该力是地球自转对地面运动的直接证据。
设备特性
摆长与重量 :采用长摆(67米)和重摆锤(28公斤),减少地球自转对摆动的影响。
悬挂方式 :悬挂点经过特殊设计,摩擦力降至最低,确保摆动平面稳定。
观测现象
实验中观察到摆锤摆动平面沿顺时针方向旋转,方向不断变化。由于摆锤本身不受外力,这种偏转只能由地球自转引起。
方向与速度关系
北半球右偏 :北半球摆面顺时针旋转,南半球逆时针旋转,与地球自转方向一致。
速度与纬度相关 :纬度越高,摆动速度越快;赤道几乎不转动,极点周期为23小时56分4秒。
偏转角度公式 :$theta = 15° cdot t cdot sinphi$($theta$为偏转角度,$t$为时间,$phi$为纬度)。
实验结果 :与地球自转速度(每小时15°)相符,24小时完成360°旋转,验证了地球自转周期为24小时。
通过以上分析,傅科摆以简洁而有力的实验验证了地球自转的存在及其基本参数,成为经典物理学的标志性实验之一。