傅科擺

傅科擺

目的

在不同的座標系演示單擺運動現象。


實驗

實驗裝置:將單擺置於一個轉動圓盤上,擺線頂點接在轉動軸上;再將一無線攝影機安固于單擺頂部,藉以擷取轉盤系統上單擺的運動影像。

實驗過程:
1.整個系統先處於靜止狀態,再使擺錘在約30度的擺角下開始擺動,分別在地面及透過轉動系統的無線攝影機觀察單擺是否作直線往返的週期擺動。
2.單擺如前面的情況下正常擺動,接著轉盤以等速、低速轉動,再次觀察地面及轉動系統中的單擺是否仍作直線往返的週期擺動。

 

 

原理思考

爲什麽同一單擺的運動卻呈現不同的運動形式呢?

物理運動學中,描述一個運動前首先要確定參考系,故對於同一運動的描述,選取不同的參考系,就會有不同的形式。
牛頓第一運動定律(Newton’s first law of motion)說明,除非有外力施加,否則運動中的物體其速度或方向不會改變;此時物體維持運動狀態不變的這性質稱為慣性。
接著分析本實驗的運動描述形式。
一般我們觀察單擺是在地面上觀察,即選取地球作為參考座標,也就是慣性座標;以直角座標表示,此時擺錘擺動的平面就在y-z平面上。然而,在轉動的原盤上觀察時就不是前述的慣性座標系,而是轉動座標系,無線攝影機安固于轉動盤系統上,就是以轉動座標系的視角來觀察單擺的運動,這也就是此時你觀察到擺鎚以圓弧狀運動,而非直線運動。

 

問題討論

1.生活中有沒有相關的實例?
 2.
有沒有更簡單的方法來演示這個現象?

 

1.因一般狀況下,感覺不出科氏力的存在因為尺度太小,所以我們感受不到,但是長距離的運動物體,如南北向長距離飛行的飛機、洲際彈道飛彈等都必須將科氏力考慮進去。
2.可以準備一張紙放在一個轉盤上,右手拿一支筆在紙上畫一直線,同時左手轉動轉盤;整個過程中,右手是直線運動,可是紙張上畫出來的卻是一條弧線,這就是在不同的座標系下,物體運動會有不同的型式。

 

關於實驗

支架製作確保單擺頂接線點在轉動系統軸上。
可同本網站中科氏力比較。


參考資料

人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心 ,普通高中課程標準實驗教科書 物理 1 (必修), 頁10~13 

高等教育出版社 理論力學教程(第二版),頁253~259 周衍柏

佛科擺 百度

牛頓第一運動定律

長庚大學格物致知物理學習網站

 

製作

v.1 吳開貴(西南大學交換學生)

 

指導老師

易台生、朱慶琪


 撰稿 

吳開貴