Маятник фуко эксперимент кратко

Обновлено: 05.07.2024

В начале января 1851 года французский физик Леон Фуко в подвале своего дома поставил опыт, который, как он тогда еще не догадывался, повторит множество людей по всему миру. К потолку подвала он подвесил на проволоке длиной два метра тяжелый латунный шар и осторожно качнул его. Фуко уже знал, что маятники сохраняют плоскость колебаний вне зависимости от изменения положения в пространстве того, к чему они прикреплены (при условии, что способ крепления нити минимально влияет на направление колебаний), и что таким образом можно продемонстрировать вращение Земли — она вместе с подвалом повернется вокруг этой плоскости. Через некоторое время физик заметил, что плоскость качания маятника действительно отклоняется от первоначальной.

Колебания маятника Фуко

Уже через несколько дней Фуко повторил свой опыт в Парижской обсерватории по приглашению ее директора, физика и астронома Франсуа Араго. Здесь можно было взять подвес подлиннее — 11 метров. Ученый определил, что скорость вращения плоскости колебаний зависит от географической широты и (для неидеального маятника) от длины подвеса.

Похожие эксперименты в 1661 году проводил ученик Торричелли и Галилея, физик и математик Винченцо Вивиани. А уж свидетельства наблюдения за движением маятника находят и вовсе еще у Плиния Старшего (I в. н. э.). Однако ни один подобный опыт до Фуко не привлекал столько внимания коллег-ученых и публики.

Рассказы об экспериментах Фуко распространились быстро, и уже в марте по просьбе самого президента Франции Луи Наполеона физик провел ставшую уже всемирно известной демонстрацию в Пантеоне. Там он смог использовать стальную проволоку длиной 65 метров и маятник массой 28 кг. На одно колебание (14 метров) уходило 16 секунд. На полу под точкой крепления был очерчен круг и вдоль него была насыпана песчаная дорожка, на которой оставляло следы острие маятника. За каждое колебание маятника засечки сдвигались на 2,5 мм, а полный круг он делал почти за 32 часа.

В принципе, в успехе опыта как будто и нет ничего удивительного: Леон Фуко был одним из лучших экспериментаторов своего времени и просто разносторонней личностью. Он намеревался стать врачом, но, обнаружив, что боится крови, отказался от этой идеи. Фуко получил не очень хорошую подготовку по математике и естественным наукам и многое изучал самостоятельно, заинтересовавшись экспериментами.

Фуко изучал бинокулярное зрение, исследовал открытые тем же Араго вихревые токи, теперь носящие его имя, интересовался фотографией, тогда называвшейся дагерротипии, и усовершенствовал процесс получения снимков. Это увлечение привело к знакомству с другим физиком, Ипполитом Физо. Вместе они провели много экспериментов по оптике. Они изучали, как воздействует на дагерротипную пластинку свет различных частей спектра, сравнивали интенсивность излучения различных источников света (Солнца, дуговой лампы и др.), исследовали интерференцию и поляризацию света.

Однако самые значительные их эксперименты касались измерения скорости света. В своих опытах они воспользовались устройством, конструкцию которого разработал физик Чарльз Уитстон для измерения скорости электрического тока. На некотором расстоянии друг от друга помещались источник света и зеркало, между ними — вращающиеся шестеренка (в установке Физо) или еще одно зеркало (у Фуко). Зная расстояние, которое должен пройти свет (от источника до зеркала), а также частоту вращения предмета посередине, который то закрывал, то освобождал путь для него, исследователи могли приблизительно вычислить скорость света. Результат зависел как от точности оборудования, так и от размеров установки. На тот момент экспериментаторы получили значение 298 000 км/с. Позднее на схожих по конструкции приборах большего размера (до 35 км против 20 метров у Физо и Фуко) физикам удалось уточнить значение скорости света до 299 796 км/с.

Далеко не все взрослые в полной мере понимают, что такое маятник Фуко, как он работает и для чего нужен. А как объяснить это, например, любознательному ребенку? Ему трудно представить даже то, что Земля круглая, не говоря уже о ее вращении! Но на самом деле объяснить принцип маятника Фуко любому человеку можно за пять минут, используя несколько предметов, которые найдутся почти на каждой кухне.

Напомним, что маятник Фуко — это экспериментальный прибор, с помощью которого можно наглядно наблюдать суточное вращение Земли. Он представляет собой достаточно длинную (в оригинальной конструкции Жана Фуко длина составляла 67 м) стальную проволоку, на которую подвешен груз. С течением времени плоскость колебаний маятника изменяется, медленно поворачиваясь в сторону, противоположную направлению вращения Земли, причем географическое положение (широта) прибора влияет на скорость изменений.

А представьте себе ситуацию: подходит к вам ребенок и спрашивает: я тут прочитал про какой-то маятник Фуко, который доказывает, что Земля вертится, и ничего не понял. Можешь мне как-то попроще объяснить? Конечно, отвечаете вы и строите модель маятника прямо на кухне.

Лаймы и иголки

Построить модель можно практически из чего угодно, можно сделать ее красивее, больше, фотогеничнее. Мы предпочли использовать простые предметы, которые можно в считаные минуты найти почти на любой кухне. Не понадобится даже идти в магазин.

Тарелка; три вилки; винная пробка; лайм или любой другой предмет схожих параметров, достаточно легко протыкаемый иголкой; две швейные иглы; катушка ниток; соль.

Итак, тарелка, три вилки, две иголки, пробка, какой-либо груз (лайм, картофелина, маленькое яблоко), катушка ниток, соль. Тарелка исполняет роль Земли, а стол, на котором она стоит, — неподвижной системы координат, в которых Земля вращается (проще говоря — звезд). Из всего этого несложно соорудить конструкцию, изображенную на первом фото. Самое трудное — подобрать длину нити, чтобы кончик иголки едва-едва не касался поверхности тарелки. Очень важно соблюсти центровку, то есть проследить, чтобы кончик иглы вышел из самой серединки плода, который используется в качестве груза.

Если вращать тарелку равномерно (например, поставив на крутящийся диск), кончик нашего маятника опишет на соли фигуру, аналогичную фигуре, описываемой настоящим маятником Фуко.

Затем мы запускаем систему — лучше всего оттянуть груз в сторону и отпустить. Маятник начинает колебаться. Если мы будем поворачивать тарелку вокруг оси, обнаружится, что маятник не поворачивается вместе с ней, а продолжает колебаться в постоянной плоскости! Соль в данном случае используется для наглядности — при повороте тарелки кончик иглы вычерчивает новую траекторию.

Теперь достаточно представить, что тарелка очень большая — диаметром с Землю. И она вертится, как по легенде говаривал Галилей, самостоятельно, подобно тому, как мы вращаем тарелку рукой. А маятник Фуко, спускаясь с купола Московского планетария или парижского Пантеона, выписывает затейливую фигуру, постоянно изменяя плоскость колебаний относительно Земли. Точнее, это Земля изменяет свою позицию относительно маятника. Как тарелка.

Жан Бернар Леон Фуко — французский физик, член Парижской Академии наук, родился в Париже 18 сентября 1819 года. Кроме маятника Фуко, учёный спроектировал гироскоп, разработал метод измерения скорости света в воздухе и воде, а также создал один способов серебрения зеркал.

Что такое маятник Фуко?

В середине XIX века Жан Фуко изобрёл устройство, которое наглядно демонстрирует вращение Земли. Вначале учёный провёл эксперимент в узком кругу. Позже об этом опыте узнал Луи Бонапарт. В 1851 году будущий французский император Наполеон III предложил Фуко повторить эксперимент публично под куполом Пантеона в Париже.

Во время эксперимента Фуко взял груз весом 28 кг и подвесил его к вершине купола на проволоке длиной 67 м. На конце груза учёный закрепил металлическое острие. Маятник совершал колебания над круглым ограждением, по краю которого был насыпан песок. При каждом качании маятника острый стержень, закреплённый снизу груза, сбрасывал песок приблизительно в трёх милиметрах от предыдущего места. Примерно через два с половиной часа стало видно, что плоскость качания маятника поворачивается по часовой стрелке относительно пола. За час плоскость колебаний повернулась более чем на 11°, а примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение. Фуко таким образом доказал, что если бы поверхность Земли не вращалась, маятник Фуко не показывал бы изменения плоскости колебаний.

За проведение этого опыта Фуко был удостоен Ордена Почётного легиона — высшей награды Франции. Маятник Фуко впоследствии получил распространение во многих странах. Существующие приборы в основном сконструированы по одному и тому же принципу и различаются между собой по техническим параметрам и дизайну площадок, на которых они установлены.

Как может меняться плоскость вращения маятника?

На плоскость вращения маятника влияет как географическая широта места, где он установлен, так и длина подвеса (длинные маятники вращаются быстрее).

Маятник, установленный на Северном или Южном полюсе, будет делать оборот за 24 часа. Маятник, установленный на экваторе, вообще не будет вращаться, плоскость останется неподвижной.

Где можно увидеть маятник Фуко?

В России на действующий маятник Фуко можно просмотреть в Московском планетарии, Сибирском федеральном университете, в атриуме 7-го этажа Фундаментальной библиотеки МГУ, Санкт-Петербургском и Волгоградском планетариях, в Приволжском федеральном университете в Казани.

До 1986 года маятник Фуко длиной 98 м можно было увидеть в Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге. Во время проведения экскурсии посетители собора могли наблюдать за экспериментом — плоскость вращения маятника поворачивалась, и стержень сбивал спичечный коробок на полу поодаль от плоскости вращения маятника.

Самый большой в СНГ и один из самых крупных маятников Фуко в Европе установлен в Киевском политехническом институте. Шар из бронзы весит 43 килограмма, а длина нити составляет 22 метра.

В 1851 году Жан Фуко в здании парижского Пантеона провел опыт, который демонстрировал вращение Земли.
Ввеху купола высотой 67 метров была прикреплена длинная стальная проволока. К этой проволоке подвесили металлический шар массой около 25 кг, который мог качаться в любой плоскости.

Маятник совершал колебания над круглым постаментом радиусом 3 м. По краю которого был сделан бортик из песка. При каждом качании маятника острый кончик, укрепленный на шаре снизу, оставлял на песочном бортике отметку.
Каждая следующая отметка на песке оказывалась на расстоянии в 3 мм от предыдущей.

За час наблюдений плоскость качаний маятника повернулась на угол в 11° по часовой стрелке. Полный же оборот плоскость маятника совершила за 32 часа.

В середине 20 века аналогичный маятник Фуко длиной 98 м был установлен в России в Исакиевском соборе Ленинграда. Публику несказанно удивлял эксперимент со спичечным коробком, который устанавливали чуть поодаль от плоскости вращения маятника. Через какое-то время укрепленный на шаре стержень приближался к коробку и сбивал его.

Плоскость качания маятника на нити сохраняется независимо от вращения основания, к которому подвешен маятник. Если поместить маятник Фуко на полюсе, то период вращения маятника там будет равен периоду обращения Земли вокруг своей оси – 24 часам. Период поворота оси маятника зависит от широты местности. На экваторе плоскость маятника вращаться не будет – период равен бесконечности.

Модель маятника Фуко, расположенного в южном полушарии Земли. Изображенная на анимации траектория движения соответствует случаю, когда маятник приводится в движение коротким толчком из положения равновесия.

Ма́ятник Фуко́ — маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли.

Содержание

Эксперимент Фуко

Впервые публичная демонстрация была осуществлена французским физиком и астрономом Жаном Фуко в 1851 г. в Парижском Пантеоне: под куполом Пантеона он подвесил металлический шар массой 28 кг с закреплённым на нём остриём на стальной проволоке длиной 67 м, крепление маятника позволяло ему свободно колебаться во всех направлениях, под точкой крепления было сделано круговое ограждение диаметром 6 метров, по краю ограждения была насыпана песчаная дорожка таким образом, чтобы маятник в своём движении мог при её пересечении прочерчивать на песке отметки. Чтобы избежать бокового толчка при пуске маятника, его отвели в сторону и привязали верёвкой, после чего верёвку пережгли [1] .

Период колебания маятника при такой длине подвеса составлял 16,4 секунд, при каждом колебании отклонение от предыдущего пересечения песчаной дорожки составляло ~3 мм, за час плоскость колебаний маятника повернулась более чем на 11° по часовой стрелке, то есть примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение.

Физика эксперимента

На Северном или Южном полюсе Земли (ось вращения Земли лежит в плоскости колебаний маятника) плоскость колебаний маятника Фуко совершает поворот на 360° за звёздные сутки (на 15° за звёздный час), на экваторе (ось вращения Земли перпендикулярна плоскости колебаний маятника) плоскость колебаний маятника Фуко неподвижна, в произвольной точке с географической широтой (угол между осью вращения Земли и плоскостью колебаний маятника ) скорость вращения плоскости колебаний идеального маятника Фуко (в градусах в звёздный час) относительно поверхности Земли составляет

$\!\Omega_P = 15 \sin \phi.$

Для неидеального маятника Фуко скорость вращения плоскости колебаний зависит и от длины подвеса:

$\!\Omega_P = 15 [1 - \frac<3></p> <p> (a/l)^2] \sin \phi,$

где — амплитуда колебаний груза маятника; — длина нити.

$T \approx 2\pi \sqrt<l \over g></p> <p>Поскольку период колебаний зависит от длины подвеса ($
), то увеличение длины нити увеличивает поворот совершаемый плоскостью вращения за один период, что и используют при демонстрации. Так, в Исаакиевском соборе в Ленинграде демонстрировался маятник Фуко на подвесе длиной 98 м.

Действующие маятники Фуко

Всего в мире имеется порядка 20 маятников Фуко. [источник?]

в России и СНГ

Список упорядочен по длине нити:

Интересные факты

Один из элементарных способов решения занимательной задачи П. Л. Капицы об облачности Венеры является измерение длины суток при помощи маятника Фуко [11] . Текст задачи:

В Исаакиевском соборе в Ленинграде маятник Фуко был запущен в ночь с 11 на 12 апреля 1931 года. Тогда это назвали триумфом науки над религией. Однако представители церкви отметили, что этот опыт никак не опровергает догмат существования Бога. Хранитель экспозиции Исаакиевского собора Сергей Окунев прокомментировал это так:

См. также

Ссылки

Примечания

Маятники
Планетология
Физический эксперимент
1851 год в науке

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Маятник Фуко" в других словарях:

МАЯТНИК ФУКО — МАЯТНИК ФУКО, тяжелый металлический шарообразный (или дискообразный) предмет, висящий на длинной тонкой проволоке, впервые был использован Жаном ФУКО, чтобы продемонстрировать вращение Земли. Так как Земля вращается вокруг своей оси, плоскость… … Научно-технический энциклопедический словарь

Маятник фуко — Модель маятника Фуко, расположенного в южном полушарии Земли Маятник Фуко маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли. Содержание 1 Эксперимент Фуко … Википедия

МАЯТНИК ФУКО — устройство, наглядно демонстрирующее вращение Земли. Его изобретение приписывают Ж. Фуко (1819 1868). Вначале опыт был выполнен в узком кругу, но так заинтересовал Л. Бонапарта (позднее ставшего Наполеоном III, французским императором), что он… … Энциклопедия Кольера

маятник Фуко — Fuko švytuoklė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Foucault pendulum vok. Foucaultsches Pendel, n rus. маятник Фуко, m pranc. pendule de Foucault, m … Fizikos terminų žodynas

Маятник Фуко (значения) — Маятник Фуко: Маятник Фуко маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли. Маятник Фуко второй роман Умберто Эко (1988) … Википедия

Маятник Фуко (роман) — О математическом маятнике см. Маятник Фуко. Маятник Фуко Il pendolo di Foucault … Википедия

МАЯТНИК — МАЯТНИК, любое тело, подвешенное в какой либо точке так, что оно колеблется, описывая дугу окружности. Простой, или математический, маятник состоит из тяжелого груза небольшого размера, подвешенного на нити или на легком негнущемся стержне.… … Научно-технический энциклопедический словарь

МАЯТНИК — МАЯТНИК, маятника, муж. 1. Качающееся тяжелое тело на стержне, прикрепленном верхним концом к неподвижной точке. Часы с маятником. Маятник Фуко. Физический маятник (материальный, вещественный, в отличие от математического; см. ниже; физ.). ||… … Толковый словарь Ушакова

ФУКО — (Foucault) Жан Бернар Леон (1819 68), французский врач и физик, изобретатель ГИРОСКОПА. С помощью маятника (МАЯТНИК ФУКО) доказал, что Земля вращается вокруг своей оси. Разработал метод измерения абсолютной скорости света и в 1850 г., измерив ее … Научно-технический энциклопедический словарь

Фуко маятник — Модель маятника Фуко, расположенного в южном полушарии Земли Маятник Фуко маятник, используемый для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли. Содержание 1 Эксперимент Фуко … Википедия

Читайте также: