Маятник Фуко

Районный конкурс молодых исследователей «Шаг в будущее»

Тема: «Маятник Фуко»

                                                                   Выполнил:

                                                                   Кожевников Евгений Александрович

                                                         9 «Б» класс МБОУ «СОШ №6»

     Руководитель:

                               Давыдова Ирина Николаевна

                                         учитель физики МБОУ «СОШ №6»

г. Кольчугино

2012

Содержание

Введение        3

1. Маятник Фуко        3

1.1. История создания маятника Фуко        3

1.2. Опыт Фуко        5

        1.2.1. Демонстрация опыта        5

        1.2.2. Принцип работы маятника        6

1.3. Биография Ж.Б.Л. Фуко        6

1.4. Действующие маятники Фуко        7

        1.4.1. Действующие маятники в России и странах СНГ        7

        1.4.2. Действующие маятники в других странах        9

1.5. Интересные факты        11

2. Практическая часть        11

2.1. Модели маятника, которые можно сделать самому        11

2.2. Модель маятника, представленная на конкурс        13

Заключение        14

Список литературы        15

Введение

О существовании маятника Фуко я узнал из курса физики 9 класса (тема «Колебания и волны»). А потом посмотрел телепередачу «Галилео», в которой я увидел модель маятника, изготовленного умельцами программы. И я решил проверить, смогу ли я сам изготовить подобную работающую модель. Для этого я собрал и изучил информацию из различных источников: книги, СМИ, Интернет. Материал был настолько интересный, что я решил его систематизировать и самому изготовить модель.

Целью данной работы является систематизация собранной информации и создание настольной демонстрационной установки маятника. В работе я изложил материал об истории создания маятника, его первой демонстрации, принципе работы, о различных видах моделей маятника, созданных по всему миру, и предлагаю на рассмотрение жюри модель маятника, сделанную своими руками.

Со своей работой я выступал на уроке физики перед одноклассниками и на школьной научно-практической конференции «Дорогами открытий» и был награжден грамотой за победу в номинации «Прикладная физика»

1. Маятник Фуко

1.1 История создания маятника Фуко

Наблюдать за качаниями светильников в соборе, оказывается, любил не только Галилей. Эту страсть он передал и своему ученику Винченцо Вивиани. В 1660 г. в отличие от Галилея он обратил внимание на другую особенность колебаний маятника на длинной нити.

Оказывается, плоскость их качаний постоянно отклоняется, причем всегда в одну и ту же сторону – по часовой стрелке, если смотреть на маятник сверху вниз. А в 1664 г. ученый из города Падуи Джованни Полени связал это отклонение с вращением Земли – дескать, Земля вращается, а плоскость колебаний маятника как была, так и остается. Вот и наблюдается это стоящими на Земле людьми как отклонение плоскости качаний маятника.

Но оказывается, это свойство маятника было известно и вездесущим древним. Действительно, новое – это хорошо забытое старое. Вот что писал по этому поводу в своей «Естественной истории» римский ученый Плиний Старший, живший в I в. н. э.: «Есть возможность устроить компас без магнита. Для этого нужно взять маятник и заставить его качаться по определенному направлению. При поворотах корабля маятник будет сохранять в своих качаниях заданное ему направление» (рис. 1).

Рис. 1. Компас Плиния Старшего на корабле        Рис. 2. Пруток, зажатый во вращающемся

                                                                                     патроне, не меняет плоскость колебаний

Надо сказать, кое-что в совете Плиния вызывает сомнение. Первое – не мог Плиний знать про компас, в Европе про него узнали гораздо позже, по крайней мере дали это название. Так что многое, приписываемое Плинию, вполне мог внести от себя переводчик его трудов с латыни в XVIII в. Второе – невозможно, чтобы так долго маятник не изменял плоскости своих колебаний, его подвес сделать идеальным нельзя, да и воздух вокруг будет давать помехи. И третье – вращение Земли будет само «отклонять» плоскость колебаний маятника, так что корабль «заходит» по кругу. Но так или иначе, Плинием было замечено, что маятник сохраняет плоскость своих качаний. И это свойство блестяще применил французский ученый Жан Бернар Леон Фуко (1819—1868), создав свои знаменитые маятники. С детства Фуко учиться не любил, знания давались ему с трудом. Но руки у него были золотые – он мастерил игрушки, приборы, сам построил паровую машину, прекрасно работал на токарном станке.

Однажды Фуко заметил, что если зажать в патроне станка длинный упругий стальной прут и заставить его колебаться (рис. 2), то плоскость колебаний не изменится даже при быстром вращении патрона. Заинтересовавшись этим явлением, Фуко стал наблюдать сначала за поведением того же прутка во вращающемся патроне, а затем для удобства решил заменить его маятником.

Первые опыты с маятником Фуко провел в погребе своего дома в Париже. К вершине свода погреба он прикрепил двухметровую проволоку из закаленной стали и подвесил на ней пятикилограммовый латунный шар. Отведя шар в сторону, зафиксировав его с помощью нити возле одной из стен, Фуко пережег нить, предоставив маятнику возможность свободно качаться. И уже через полчаса он стал свидетелем вращения Земли.

Это произошло 8 января 1851 г. А спустя несколько дней Фуко повторил свой опыт в Парижской обсерватории по просьбе ее директора, знаменитого французского ученого Араго. На этот раз длина проволоки составляла уже 11 м. И отклонение плоскости качания маятника было еще заметней.

Об опыте Фуко заговорили повсюду. Всем хотелось своими глазами увидеть вращение Земли. Дело дошло до того, что президент Франции принц Луи-Наполеон решил поставить этот опыт в поистине гигантских масштабах, чтобы демонстрировать его публично. Фуко было предоставлено здание парижского Пантеона с высотой купола 83 м.

1.2. Опыт Фуко

1.2.1. Демонстрация опыта

Впервые публичная демонстрация была осуществлена Жаном Фуко в 1851 г. в Парижском Пантеоне (рис. 3): 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.

Рис. 3. Маятник Фуко в парижском Пантеоне

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.

1.2.2. Принцип работы маятника

Принцип работы маятника Фуко заключается в том, что он за каждое колебание отклоняется о заданной траектории благодаря вращению Земли вокруг своей оси, более всего этот эффект заметен на полюсах планеты и вообще не заметен на экваторе. Чем больше размер маятника, тем более заметен эффект отклонения. Если работающий маятник, а точнее каркас начинать поворачивать, то маятник сохраняет своё положение, также происходит с Землёй, она  вращается под маятником и кажется, что маятник меняет направление своих колебаний, на самом же деле маятник просто сохраняет своё положение, а Земля вращается. Так как маятник не жёстко связан с его каркасом, поэтому каркас вращается вместе с землёй, а маятник сохраняет своё положение.

1.3. Биография Ж.Б.Л. Фуко

ФУКО Жан Бернар Леон (1819-1868), французский физик, известный своими экспериментами по оптике и механике. Родился 18 сентября 1819 в Париже. Начальное образование получил дома. По настоянию отца изучал медицину, но увлекся экспериментальной физикой. С 1845 - научный обозреватель газеты "Журнал дискуссий" ("Journal des Dbats"), с 1855 - сотрудник Парижской обсерватории, с 1862 - член Бюро долгот. Основные исследования относятся к оптике, механике, электромагнетизму. Вместе с А.Физо провел ряд оптических исследований, наиболее известное из них - наблюдение интерференции света при большой разности хода. В 1849-1850 измерил скорость света в воздухе и воде, используя быстро вращающееся зеркало. Эти сравнительные измерения окончательно подтвердили волновую природу света. В 1851 при помощи маятника (маятник Фуко) продемонстрировал вращение Земли вокруг оси. В 1852 изобрел гироскоп, широко применяющийся теперь в технике и навигации. В 1855 обнаружил нагревание проводящего материала вихревыми индукционными токами (токи Фуко) и предложил способ их уменьшения. Разработал прецизионный способ изготовления зеркал для больших рефлекторов и предложил использовать вместо металлических зеркал более легкие и дешевые стеклянные, покрытые пленкой серебра. Среди других изобретений Фуко - автоматический регулятор света для дуговой лампы, фотометр, поляризационная призма, пригодная для работы в УФ-области. Фуко был членом Лондонского королевского общества, Берлинской академии наук; за научные заслуги награжден медалью Копли.

1.4. Действующие маятники Фуко

1.4.1. Действующие маятники в России и странах СНГ

24 февраля 2011 года модель маятника появилась в Киеве. Он установлен в Киевском политехническом институте (рис. 4). Шар из бронзы весит 43 килограмма, а длина нити составляет 22 метра. Киевский маятник Фуко считается самым большим в СНГ и одним из самых крупных в Европе.

Рис. 4. Маятник Фуко в Киевском политехническом институте

12 июня 2011 года открылся Московский планетарий, где установлен действующий маятник Фуко с длиной нити 16 метров, массой шара - 50 килограммов (рис. 5).

Рис. 5. Маятник Фуко в Московском планетарии

8 февраля 2012 года открылся Новосибирский астрофизический комплекс, включающий в себя башню Фуко с маятником, длина нити которого 15 метров.

Действующий маятник Фуко c длиной нити 20 метров имеется в Сибирском федеральном университете (Красноярск).

Действующий маятник Фуко, массой 12 килограммов и длиной нити 8,5 метров, имеется в Волгоградском планетарии.

Действующий маятник Фуко в настоящее время есть в Санкт-Петербургском планетарии. Длина его нити — 8 метров.

В Беларуси маятники Фуко установлены в Белорусском государственном педагогическом университете имени Максима Танка (длина нити — 7,5 метров) и в каплице на мемориальном комплексе «Буйничское поле» (Могилев) (рис. 6).

Ещё один маятник Фуко находится в Барнауле в АлтГТУ им. И. И. Ползунова на кафедре экспериментальной физики в 403 аудитории. Длина его нити составляет 5,5 метра.

Действующий маятник Фуко в настоящее время есть в Техническом Университете Молдовы.

                    Рис. 6.

1.4.2. Действующие маятники в других странах

Всего в мире моделей маятников Фуко около двадцати, в том числе в США, Франции, Румынии, Австралии, Кувейте и других странах.

Маятник Фуко в Парижском Пантеоне                Парижский Музей искусств и ремесел

                Миссури, пещера(США)                                        Иллиноис, Чикаго (США)

                   Калифорния (США)                                              Орегон, Портленд (США)

                     Норвегия                                                               Барселона (Испания)

           Центр Коперника в Варшаве                                  Планетарий Солт-Лейк-Сити

Обсерватория Гриффита(Лос-Анджелес)             Хьюстонский Музей Естественных Наук

1.5. Интересные факты

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

       Текст задачи: «Астрономические наблюдения показывают, что на планете Венера полная облачность, так что «жители» Венеры лишены возможности наблюдать небесные светила. Опишите, каким методом они могли бы точно измерить длину своих суток.»

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: «На самом деле, всё было наоборот. Первый опыт Фуко был выполнен с благословения папы Римского для того, чтобы доказать могущество Бога.»

3.   И еще про Фуко. Он плохо учился в школе (внимание, лентяи!), не тянулся к знаниям. К тому же у него было очень слабое здоровье. Но увлекшись интересным делом, он стал знаменитым на весь мир ученым, его имя вошло во все энциклопедии. Вот что такое увлеченность!

2. Практическая часть

2.1. Модели маятника, которые можно сделать самому

1.  Привяжите к карандашу нитку с грузиком - например, с гайкой. Положите на стол линейку и, держа карандаш горизонтально, подтолкните маятник, чтобы он качался вдоль линейки (рис. 7). Начните постепенно поворачивать карандаш в горизонтальной плоскости Вы убедитесь, что поворот карандаша не повлиял на маятник, он будет по-прежнему качаться вдоль линейки. Во время этого опыта не должно быть ветра, сквозняка, которые могли бы оказать влияние на маятник.                                                                                                          Рис. 7                                                                                                                    

2.  Можно перевернуть вверх ногами табуретку и укрепить на концах двух ее ножек, по диагонали, какую-нибудь деревянную палку или металлическую трубку, а к середине ее привязать маятник. Заставьте его качаться так, чтобы плоскость его качания проходила между ножек табуретки. Медленно поворачивайте табуретку вокруг ее вертикальной оси, и вы заметите, что теперь маятник качается уже в другом направлении (рис.8). На самом деле он качается все также, а изменение произошло из-за поворота самой табуретки, которая в данном опыте играет роль нашей Земли.                                                                          Рис. 8

3.    Можно изготовить маятник, например, привязав к нитке тяжелую гайку, взять в руку свободный конец нитки и… Нет, вам не придется стоять часами, ожидая, пока Земля повернется. Лучше станьте на известную скамью Жуковского или даже на покупную «Грацию» и, вытянув руку с качающимся маятником, попробуйте вращать себя. Маятник в вашей руке будет сохранять первоначально заданное направление колебаний, например от двери к шкафу (рис. 9). 

                                                              Рис. 9

4.  Возьмите деревянную   доску    длиной 50—60 сантиметров, шириной 12—15 сантиметров и толщиной 2— 3 сантиметра. Укрепите на ней П-образную подставку из узких деревянных реек. Высота подставки должна быть около 30—40 сантиметров. В середине верхней перекладины просверлите вертикальное отверстие и вставьте в него кусочек проволоки, загнув верхний конец, чтобы он держался в отверстии. Нижний конец проволочки загните крючком, на нем будет подвешен маятник. Этот крючок должен свободно вращаться в своем гнезде.

               На тонком шнурке подвесьте к крючку какой-нибудь тяжелый грузик (большую гайку, большой шарик от подшипника, завернув его в тряпочку).

               Раскачайте маятник так, чтобы его размах не превышал длины подставки.      Поворачивая подставку вокруг ее вертикальной оси против часовой стрелки, вы тем самым как бы повторите в миниатюре вращение Земли с запада на восток. Наша модель Земли поворачивается, а маятник продолжает колебаться в той плоскости, в которой он был запущен.

2.2. Модель маятника, представленная на конкурс

      Модель моего маятника сделана по

 подобию     модели    из     программы

 «Галилео».

            Модель   маятника   Фуко   (рис. 10)

      сделана     при     помощи    следующих

      материалов:

В качестве груза маятника используется строительный подвес

Каркас изготовлен из 3 металло - пластиковых труб

Крепление труб изготовлено из стальной болванки.

                                       Рис. 10

Заключение

Собранный материал и изготовленный прибор могут быть использованы как на уроках физики, так и во внеурочной деятельности, например, в рамках «Недели физики», на занятиях предметного кружка.

Так как математический аппарат, сопровождающий описание маятника Фуко, относится к курсу высшей математики, я считаю целесообразным продолжить работу по данной теме.

Список литературы

Пинский А.А., Разумовский В.Г. Физика и астрономия. 7 кл. – М.: Просвещение, 1999 г

Перышкин А.В. Физика. 9 кл. – М.: Дрофа, 2008 г

Верин А. Опыт Фуко

Нурбей В. Г. "Удивительная физика"

Храмов Ю.А. "Физики". Биографический справочник. – М.: Наука, 1983 г

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество, 2000 г

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%8F%D1%82%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D0%A4%D1%83%D0%BA%D0%BE

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BA%D0%BE,_%D0%96%D0%B0%D0%BD_%D0%91%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%80_%D0%9B%D0%B5%D0%BE%D0%BD

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/FUKO_ZHAN_BERNAR_LEON.html

http://vk.com/topic-8368411_20320269