十字摆实验

十字摆实验
实验目的： 1.检测地球的惯性离心力；2.验证地球的偏西力。

实验仪器： 十字摆，刻度摆，玻璃容器。

实验仪器说明： 十字摆是这个实验的关键，明白了十字摆的结构和原理，就对这个实验有了基本的理解。十字摆的结构就象一个十字架，如图1。本实验所用的十字摆是由横竖两跟圆柱形铁杆做成的，竖杆长1000毫米，直径5毫米，横杆长60毫米，直径3毫米，两根铁杆都是在中点相交。在横杆的两端引出两根线，作为十字摆的两根摆线——十字摆也是双线摆。为了使竖杆的一端总是指向下面，在杆的一端增加一点重物，但不要太重，刚好能使杆的一端指向下面就可以了，再在杆的下端装一根细针，作为指示针，这样十字摆就做成了。刻度摆就是一个双线摆，结构如图2，用两根摆线吊起一块刻度板，刻度板上画有刻度线，我即称它为刻度摆。把刻度摆的两根摆线的最上端分别接在十字摆横杆的两端，十字摆和刻度摆就组合成一个复合摆，如图3，再把这个复合摆悬挂在一个玻璃容器中（110cmX10cmX10cm)，玻璃容器主要起到支撑摆的作用，还可以防止流动的空气对摆的干扰，玻璃透明又利于观察，这样，整个实验装置就完成了。如果实验平台的水平度不够好，还要给摆做一个特殊的悬挂装置，如图4，CD杆的两端与十字摆的两根摆线相连，AB杆安装在玻璃容器上，通过这种装置，即使实验平台不够水平，对实验也没有影响。

实验原理：  普通摆摆动起来后，摆线是不会平行摆动的，如图5，这样摆线指示的方向是有明显变化的。然而十字摆如果摆动起来，十字摆的重心虽然会带动摆线改变方向，但十字摆的竖杆是近似于平行的，摆的竖杆所指示的方向基本不变，如图6。十字摆也相当于一个旋转了90度的天平，横杆为天平的支点，竖杆在支点上下两端受力是平衡的，把竖杆的上端去掉就相当于普通摆了。根据普通摆和十字摆这种指示方向的差异，把它们组合起来，就形成图3那种复合摆，如果这种复合摆整体在某个方向受到一种力（地球引力之外的力），十字摆竖杆指示的方向不变，而刻度摆指示的方向却有改变，两个摆就有相对位移，通过十字摆的指针和刻度摆的刻度线就可以很直观的体现出来，达到可以观测的目的。在实验中，力的方向不可能改变，我们只有改变实验装置的方向来促使两种摆产生相对位移。

实验的力学背景：  在空中悬挂一根铅垂线，这根铅垂线会发生如下几种情况的偏移：1.由于大地水准面不是一个标准球面，铅垂线指示的方向不会通过地球中心，如铅垂线旁边有一座大山或金属矿，铅垂线就会向那个方向偏移。2.由于地球自转产生的惯性离心力也会使铅垂线向赤道方向偏移。3.地球的固体潮也会使铅垂线相对地面发生偏移。4.水平引潮力也会直接作用在铅锤上使铅垂线偏移。引潮力分为垂直引潮力和水平引潮力，当太阳或月亮的天顶距在90度附近时，水平引潮力达到峰值。5.还有我提出来的地球偏西力，也会使铅垂线向西偏。偏西力和离心力一样，都是效果力，验证地球的偏西力是这个实验的主要目的。 在上述中，铅垂线发生偏移的“参照物”其实是很复杂的，有些“参照物”是看不到的，是我们想象出来的——如铅垂线的悬挂点与地心的连线，还有假想中的地球引力线。我们都知道地球惯性离心力的存在，它会使铅垂线向赤道方向偏移，但我们却不能用实验很直观的来表现这种偏移，因为偏移的“参照物”是看不见的，十字摆的发明就是为了解决参照物这个问题的。

实验过程简述：首先来约定十字摆的摆动方向——以两根摆线所处的同一个平面垂直的方向为摆动方向。再来约定地理方位角——正北方向为0度，正东方向为90度，正南方向为180度，正西方向为270度。我做实验的地点是上海市，北纬约31度，东经约121度，查得当时的磁偏角为5度22分，指南针指向北方的那一端偏西。利用指南针和查到的磁偏角找准正北方向，然后让十字摆对准正南北方向摆动。当摆静止时，十字摆的指针对准了刻度摆上的某一点（这个点可以用平面坐标系表示），然后把整个实验装置原地旋转180度，可以在实验装置的下面垫一块光滑的玻璃，转动时震动就小。摆在转动过程中会有轻微的摆动，让它静止后，再看十字摆的指针和刻度摆上的某一点，发现在南北方向有2.6毫米的相对位移（刻度摆上的刻度线相距都是1毫米，小数点后的值是估值），东西方向没有位移。然后又让实验装置旋转180度，恢复到刚开始的方向，十字摆的指针又和刻度摆原来的那一点对准了——这种复原性很重要！从十字摆和刻度摆的相对位移中可以看出，刻度摆受到了一个向南的力，这个向南的力应当就是地球的惯性离心力。上述过程中，十字摆是正对着南北方向的，后来我把摆摆动的方向慢慢偏移，比如对准方位角10度和190度方向摆动，实验结果是摆还是会受到离心力的作用而向南位移，只是位移量少了一点。如此实验下去，直到当摆对着方位角85度和265度方向做实验时（这个方向是和指南针指示的方向垂直），摆的位移才观测不出来了。然后再把摆对准正东西方向（方位角90度和270度），实验结果大大出乎我的意料——摆向东位移，位移量是0.2毫米（肉眼可以明显观察出来），这说明铅垂线不是向西偏，而是向东偏！这里讲起来很复杂，亲自做实验感受一下会觉得很简单。 后来我又制作了几个不同的十字摆，做了大量实验，虽然在数值上有一点差异，但实验的基本现象没有发生改变。在实验中，地球的固体潮和水平引潮力对摆的影响是观察不到的，这些力比地球的惯性离心力小很多，差几个数量级，对本实验的定性分析是没有影响的。

实验思考：  1. 地球的惯性离心力也许并不是指向正南方向（北半球），而是稍微偏东，使摆向东位移的“偏东力”也许是离心力分解出来的力。希望有数学天才的人去证明：瞬时离心力都偏向于运动的前方，在角速度相同时，半径越小，前偏趋势越大。 2. 也许真的有个“偏东力”，这个力就是地球自转的动力。地球这个概念应当还包含地球周围无限远的力场，这个力场和可见地球同步自转。根据作用力与反作用力定律，有动力就有阻力。离地轴越近，线速度越小，阻力越小，动力大于阻力；在离地球几万公里的太空，地球自转的阻力（偏西力）大于动力（偏东力）。地球自转的动力和阻力在整体上是平衡的，但整体平衡并不代表局部平衡。

实验总结：本实验结构简单，原理明确。十字摆实验的现象在一定的实验条件下是客观存在的，地球的惯性离心力在此实验中得到了直观体现，同时还可以从摆的位移中推导出摆受到一个“偏东力”。但要解释这个“偏东力”还要做大量实验，比如做傅科摆的相对运动轨迹实验，在经纬度不同的地方做实验，在磁偏角不同的地方做实验等。一个科学发现需要时间来检验，但我坚信：十字摆的发明将为天体力学带来一个重要的实验工具！

                               
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图4

图4有误！下次我有空改一下。

2# 上帝之友
我和你说过，先定参照系!
摆静止?摆有可能静止嘛?

1、图都看不见
2、你的那个偏西力不是可以用科氏力说明嘛，完全没有自定义新的力的必要
3、个人看法，这些经典物理的老东西，如果想深入了解而做实验，有必要；如果想发现新的力，你也可以实验，但如果秉持科学的态度，你应该能认识到实验结果将证明你的“偏西力”理论是错误的。

不能完全用科氏力解决.
在摆没有起摆时,是没有科力的![我也看不到图,不知道我有无误读]

不能完全用科氏力解决.
在摆没有起摆时,是没有科力的![我也看不到图,不知道我有无误读]
jiangq007 发表于 2009-7-15 00:56

                               
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我说的是那个“偏西力”不是可以用科氏力解释吗，毫无自己创造一个新力的必要。至于他的实验，图看不见呢。