佛科摆是用来证明地球自转运动的一种巨大的摆。法国物理学家佛科最早设计了这种摆，并用它下证明地球的自转。所以，人们就把这类用来证明地球自转的摆，称为佛科摆。 佛科摆的摆绳很长，摆锤很重，顶端的悬点是一个特殊装置， 接触点的摩擦力是极小的。这样，佛科摆在摆动时，就具有惯性大、摆动慢、受空气阻力和接触摩擦力小的特点。当佛科摆得到一个推动力后，它便开始摆动，而且可以持续很长的时间。在摆的下方，有一个固定在地面的刻度盘。 佛科摆在摆动的时候，作为一种运动状态的摆动以及摆动平面，是超然于地球自转运动的。也就是说，它将一直保持其原来的摆动方向，而不因地球自转发生改变。固定在地面的刻度盘在地球自转运动系统之内，它的状态将随着地球自转而发生相应的变化。因此，观察佛科摆的摆动平面在摆动过程中相对于地面刻度盘的位置变化，可以证明地球的自转运动。 1851年，佛科在法国巴黎的一个圆顶大厦进行了一次成功的摆动实验。当时他使用的摆绳长是67米，摆锤重量为27千克。摆动开始后，人们看到摆动平面相对于其下方的刻度盘，沿顺时针方向渐渐偏转。既然摆动平面不因地球自转而改变，那么，摆动平面相对于刻度盘的方向改变，实际上就是刻度盘的方向在改变了。也就是说，人们看到的摆动平面沿顺时针方向偏转，实际上是刻度盘沿逆时针方向偏转的结果。 摆的运动状态改变，是一种相对视运动，是人们对运动系统以外物体状态的一种错觉。这同地球上的人们看到天体不断作周日运动，而觉察不到地球自转是一样的道理。 地球上的方向是根据经线和纬线确定的。在地球自转运动系统内看来，经线和纬线的方向都是固定不变的。但在地球自转运动系统以外来看，情况就完全不同了。随着地球的自转，经线和纬线都在不断地改变方向，即也像佛科摆的刻度盘那样，按逆时针方向（在北半球）进行旋转。 佛科摆的偏转现象，是地球自转运动的生动有力的证据。为了更便于理解用佛科摆证明地球自转的原理，我们可以设想这样一个佛科摆实验： 在北极设一个跨越极点的摆架，按照佛科摆的结构要求，正对极点在摆架上悬挂一个摆。摆架是固定于地表的，属于地球自转运动系统。悬挂在摆架上的摆，虽然也是地球上的一个物体，但是，由于悬挂接触点的高度灵敏性和摆运动的惯性，作为一种运动状态的摆动平面，是不受地球自转运动影响的，它可以超然于地球的自转运动。这样，摆就能始终保持其开始摆动时的方向自由摆动（图3－10）。 在摆动开始的时候，让摆动平面通过遥远的恒星P，即使摆朝着P的方向开始摆动。我们将能看到，摆动平面会始终保持在开始时与恒星P的位置关系，摆总是在朝向恒星P的方向上摆动。恒星在天球上的位置是固定不变的，表明摆平面的方向也没有改变。可是，我们会看到，摆动平面与地面上的各种地物（包括摆架）的相对位置关系都在不断改变。假如在开始摆动时，摆动平面也正好与本初子午线所在的经周重迭。即摆是沿着0°经线和180°经线的方向开始摆动的。那么，摆动方向将会渐渐向西偏离本初子午线和180°经线。随着时间推移，偏离的角度越来越大，3小时后，摆已经是沿着西经45°和东经135°经线方向摆动了。再过3个小时，摆将偏离到沿西经90°和东经90°经线摆动。如此继续下去，每经过24小时，摆动方向相对于经线向西偏转一周，而摆动平面与恒星P却始终保持着它们原来的相对位置关系。 不同纬度的地点，经线和纬线的形态表现出不同的特点，佛科摆与经纬线之间的相对偏转情况，也就表现出不同的特点。 在北极区，经线均呈以极点为中心的放射直线，纬线都表现为以极点为中心的圆。随着地球自西向东自转，所有经线都按逆时针方向绕极点旋转。佛科摆的摆动平面按照顺时针方向偏转，其速度每小时15°，24小时偏转360°。这表明地球绕着通过极点的地轴自西向东自转，其速度为每小时15°，周期是24小时。 在南极，佛科摆的偏转方向也是自东向西，但在那里看却是 逆时针的。其它情况则与北极相同（图3－11）。 在赤道，所有的经线表现为互相平行，赤道这条纬线与经线垂直相交。地球自西向东自转，所有的经线都随之从西向东作平行移动。在那里，看不到佛科摆摆动方向的偏转，摆动平面与经线、赤道始终保持着不变的相对位置关系（图3－12）。 中纬度地区与上述两种情况又都不相同。下面以北半球中纬度地区为例，来说明佛科摆的摆动平面偏转情况。南半球与北半球的情况相似，所不同的只是用钟表指针走向来衡量，二者的摆面偏转方向正好相反：北半球为顺时针，南半球为逆时针。 图3－13所表示的即为北半球的情况。在那里所有的纬线都呈向北弯曲的弧线，经线则呈现为向南张开的直线，纬线与经线垂直相交成弧状梯形。在地球自转过程中，每一条经线的各个部分，都以不等的线速度自西向东偏转移动。在那里，佛科摆的摆动方向，按顺时针方向不断地偏离其原来的方向，摆动平面与经线间的夹角朝着顺时针方向不断增大。摆平面在单位时间内相对于经线的偏转角度，介于极地和赤道之间。 那么，从赤道到极地，佛科摆摆动平面在不同地点的偏转速度是怎样变化的呢？它与纬度的变化之间，存在着什么样的关系呢？ 实验证明，佛科摆摆动平面的偏转速度，是随着地理纬度的变化而变化的：赤道的偏转速度为零（即不偏转）；随着纬度的增高，偏转的速度越来越大；到了地球的两极，佛科摆的偏转速度达到最大值，每小时为15°。 若用θ表示佛科摆摆平面的偏转速度，那么，它与地理纬度（ ）之间的关系，可以用下面的数学公式来表示，即 θ=t°sin 式中的t°是个常数，等于地球每小时自转的角度（即t=15°）。 佛科摆每小时偏转的角度，与纬度的正弦成正比。0°和90°的 正弦值分别为0和1，所以，佛科摆在极地和赤道的偏转情况，只是两个特例。这样，只要知道某地的地理纬度，就可以用公式计算求得佛科摆在该地摆动方向每小时的偏转角度。例如，哈尔滨的地理纬度为N45°45′，佛科摆在那里的摆动方向按顺时针方向偏转，每小时的偏转角度为： θ=15°sin45°45′=10°48′ 同样，佛科摆摆动方向每小时的偏转角度，在北京（N39°57′）约为9°38′；在广州（N23°）约为6°。 纬度越高，佛科摆的摆动偏转速度越大。在高纬度地区，很短时间内就能明显看出摆动平面的偏转现象。因此，在高纬度地区进行佛科摆实验，是比较理想的。 4.水平运动的偏向 在地球上作水平运动的一切物质，都会发生偏向。具体来讲，在北半球作水平运动的物质，将会离开其原来的方向而逐渐向右偏转；在南半球，水平运动着的物质，则会逐渐向左偏转。假设从北极向位于赤道上的A地发射一枚火箭，当火箭到达赤道时，不是落在A处，而是落到了A以西的B地。如果火箭在途中飞行了一小时，那么， A、 B二地的距离将会达1600多千米。也就是说，火箭在从北极飞向赤道的过程中，向西（或向右）偏离了1600多千米。 物体改变其原来的运动状态，一定有某种力作用于它。在地球上，相对于地球运动的物体，会受到一种惯性力的作用。首先由法国数学家科里奥利进行研究的这种惯性力，称为科里奥利力，简称科氏力。 科里奥利力作用于地球上一切运动的物体，它垂直于物体的运动方向，只改变物体的运动方向，而不改变物体的运动速度。只有当物体的运动方向平行于地轴时，科氏力才等于0。 在地球上作水平运动的物体，之所以会改变方向，也是由于这种惯性力作用的结果。这种使地球上作水平运动的物体改变方向的力，叫做地球自转偏向力，简称地转偏向力，有时也称它为科氏力。实际上，地球自转偏向力只是科里奥利力的水平分力。由于地转偏向力作用而造成的水平运动方向偏转，也只是科里奥利力的表现形式之一。 地球自转偏向力（F）与运动物体的质量（m）、运动速度（r）、所在地理纬度（ ）及地球自转角速度（ω）相关，其数值可以用下面公式表示： F=2mrωsin ω是已知的。对于以一定速度作水平运动的具体物体，r和m也已知。因而F取决于该水平运动物体所在的地理纬度。在赤道，地理纬度的正弦值等于0，即科氏力在赤道的水平分力为0。故物体沿赤道作水平运动时不受地转偏向力作用，不发生偏向。物体一旦离开赤道作水平运动，便有地转偏向力作用于它。而且，随着纬度增高，地转偏向力越来越大。到了极地，地转偏向力达到最大值。可见，对于具有一定速度的某一运动物体来说，在高纬度地区的偏向现象，比在低纬度地区更加明显。 对于同一个地点来说， 是固定值，某个作水平运动的物体所受地转偏向力之大小，取决其运动速度的变化。运动速度越大，受到的地转偏向力也越大。当物体停止运动时，作用于它的地转偏向力也同时消失。 上述水平运动的偏向，是站在地球运动系统内看到的情况。所谓方向，也都是地球运动系统内的方向，即以经线和纬线所表示的方向。若在地球运动系统外看，情况就不同了。 地球上的一切物体，应该说都属于地球的组成部分，都属于地球运动系统。然而，当物体受到外力作用而在地球上发生运动时，这种运动则是相对于地球的运动，即相对于固定在地面的各种物体而发生的方向和位置变化。按照惯性原理，运动物体将力图保持其原来的运动状态，不因地球自转而改变其运动方向。就是说，物体的这种运动状态是超然于地球运动系统的。从这个角度来看，在地球自转过程中所发生的物体运动状态相对于经、纬线之间的方向、位置改变，则是由于经、纬线的变化所致。 这是因为，在地球运动系外看来，经、纬线都在随地球自转而不断改变其原来方向（偏转移动），改变它们与水平运动状态间的关系，即不断偏离水平运动的方向。这在地球运动系统内看，则是觉察不出来的。所以，在地球上所谓水平运动方向的偏转，是一种相对的视偏转运动。或者说，它是因物体同时参与相对地球作水平运动和随地球转动这两种运动的合成。从这样的角度看，所谓作用于水平运动物体的惯性力地球自转偏向力，也就不存在了。实际上，地球自转偏向力是人们站在地球运动系统之内观察问题的前提下，用力学原理解释水平运动偏向时而虚构的一种力。 水平运动方向相对于地球运动系统内方向的偏离情况如图 3－14所示。图的上半部为北半球情况，下半部为南半球情况。物体从O点开始朝任何方向作水平运动，都将发生偏向。 例如，当物体沿经线朝着A的方向运动时，地球也在自西向东自转。经过一段时间，地球从〈a〉自转到了〈b〉。在这一过程中，物体运动逐渐偏离经线方向：在北半球向右偏，南半球向左偏。结果，该物体实际到达的是A′，而不是A的位置。除了沿赤道运动以外，在地球上朝任何方向作水平运动，都会按照上述偏向规律（北半球向右偏，南半球向左偏）发生运动方向的偏转。 在地球上，有关水平运动偏向的自然现象，有很多的实例。这些自然现象的发生，都可以站在地球自转运动系统内，用地转偏向力的作用来解释。 例如，由于太阳辐射在地表分布不均匀，由于海洋和陆地热力性质的差异，在不同纬度地带之间，在海洋和陆地之间，常有大规模的气体交换。当大气在水平方向流动时，受地转偏向力作用而发生偏向。 在世界大洋中，主要因定向风作用而导致的大规模海水流动，在地球自转偏向力及其它因素作用下，不断发生偏向，形成了各大洋中巨大的环流系统。 一般来说，在北半球，河流的右岸冲刷比较严重，河岸较陡；在南半球，情况则与北半球相反。河流左、右两岸的不对称现象，也是在地球自转偏向力作用下，流水加重对右岸（在北半球）或左岸（在南半球）侵蚀所造成的结果。 可见，地球自转偏向力对于作水平运动的各种状态（包括固态、液态、气态）的物质，都会发生作用而使之改变方向。所以，水平运动的方向偏转是地球上普遍存在的自然现象。
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