地轴进动演示与定量测量实验仪

张锐波

(浙江大学城市学院,浙江杭州 310015)

地轴进动演示与定量测量实验仪

张锐波

(浙江大学城市学院,浙江杭州 310015)

论述了地轴进动演示与定量测量实验仪的结构、各部位名称及物理含义;介绍了演示的自然现象,以及定量测量原理与测量公式推导;讨论了采用该实验仪进行定量测量思路、实验内容和创新知识点。

地轴进动;改进;制作;结构;原理;定量测量;实验内容

进动(precession)是自转物体之自转轴又绕着另一轴旋转的现象,又被称作旋进[1-3]。在天文学上被称为“岁差“现象。

“陀螺”是日常生活中进动的一个明显范例,若陀螺不自转时,就会在重力作用下倒在地上,但是若陀螺自转时,其自转轴不会是铅直的,而是围绕其铅垂线作旋转,即“旋进”现象,地球的自转类似于陀螺自转而产生旋进[1-3]。本课题就是研制一地球进动演示仪,用来模拟地球自转而产生进动的现象。

1 地轴进动的自然现象原理

地球围绕太阳公转一周所确定的平面是黄道平面,垂直于黄道平面的轴被称为黄轴;地球赤道平面的无限延伸为天赤道平面,地球自转轴的无限延伸称为天轴。天文学已经证实地球自转轴与黄轴间的夹角即黄道平面与赤道平面的夹角,均为23°26'。在黄道球面坐标系中,由于地球自转轴是倾斜的,加之地球本身也并非正球体,由于太阳和月亮对地球正反面隆起部分的差别引力作用,有自转轴被“扶正”的趋势,即地球的赤道平面会倾向于黄道平面,地球的自转轴同步倾向于黄轴。由于地球自转产生的抗力,就会阻止地球自转轴被扶正的可能性,而是保持与垂直线有一定的角度(即黄赤夹角23°26′)不变,使之地球自转轴围绕黄轴旋进(又称进动),自转轴的进动扫过一个圆锥面,进动周期为26 000年左右。如图1为地轴进动受力分析图。

图1 地轴进动受力分析图

2 改进后的地轴进动仪各部位名称与物理含义

2.1 传统地轴进动仪结构

传统地轴进动演示仪的自转园环都是通过手动使之转动,由于其在转动过程中要受到阻力作用,无法直接为系统均匀补给能量,其转动速度就会不断地减速,圆环匀速转动没有办法实现,最终将会漫漫停下来。这种演示仪也难以实现赤道平面(圆圈所在平面)与黄道平面(垂直于铅垂线的水平面)的恒定夹角不变,其演示效果就可想而知了。

2.2 改进后的地轴进动实验仪结构名称

地轴演示实验仪改进后的实物图各部位名称:(1)底座;(2)立柱;(3)主尺;(4)轮轴与轮轴套;(5)横梁支点轴;(6)轮轴;(7)横梁;(8)转轮;(9)电机;(10)光电门固定套;(11)电机固定套;(12)游标杆固定套;(13)升降游标杆;(14)游标尺;(15)电源;(16)平衡锤滑套;(17)平衡锤。如图2所示。

图2 地轴进动实验仪的改进实物图

2.3 改进后进动仪各部位连接与物理含义

电源采用24 V蓄电池,接通电源,电机带动转轮(代表地球或赤道)转动,横梁(代表地球自转轴)通过轮轴(在轮轴套内)进动,进动的角度可以通过主尺与微尺读出。

3 地轴进动演示效果与定量测量原理

3.1 观察刚体定向转动

调平衡重物,使系统的重心通过支点,即调成水平平衡状态。左手握横杆使其保持水平状态,右手开启电机使转轮转动,然后松手,就可以观察到转轮的转动方向始终保持不变状态。

3.2 观察进动

调节平衡重物的位置,使系统重心不通过支点,即整个系统对支点轴重力矩不为零,为此,仪器就会朝一侧略微倾斜。左手握横杆使其保持水平状态,右手开启电机使转轮转动,松手后,可观察到转轮自转的同时,其自转轴(横梁)还会绕竖直轴转动,通常该种现象被称为进动。

3.3 定量测量原理

则可以计算出,横梁4(地轴)进动一周所需要的恒星年数为

天文学家已经测试出,地轴进动一周需要25 800年,为了验证该结论的正确性,我们可以通过(2)式的计算结果,来与之相比。

4 结 论

该实验仪的创新点在于,带动转圈转动电机的固定与供电方法,显示进动速度刻度盘主、副尺的固定方法设计,平衡锤大小、形状设计,以及沿横梁移动与固定等。该演示仪器还有待于改进的巨大空间,进而通过定性与定量实验结合,以便达到预期的实验效果。

[1] 丁尧坚.地轴进动和章动的近似计算[J].阜阳师范学院学报,1990(2):29-33.

[2] 沈黄晋.物理演示实验教程[M].北京:科学出版社,2009(8):16-17.

[3] 王志军,倪牟翠,何越,等.质子旋进磁力仪测定地磁场强度[J].大学物理实验,2013(5):78-80.

Precession Demonstration of the Earth’s Axis and Quantitative M easuring Experiment Instrument

ZHANG Rui-bo
(Zhejiang University,Zhejiang Hangzhou 310015)

It describes the precession of natural phenomena,the drawbacks of traditional demonstration instrument,introduces the improved precession instrument structure,each part of the name and meaning,and introduces its experimental content and innovation.

precession of the earth’s axis;improve;production;structure;principle;quantitative measurement;experiment content

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.024

1007-2934(2015)06-0081-02

2015-07-02

杭州市重中之重学科