Маятник Фуко, Соціальна мережа працівників освіти
Метою даної є систематизація зібраної інформації та створення настільної демонстраційної установки маятника Фуко.
Районний конкурс молодих дослідників «Крок у майбутнє»
Тема: «Маятник Фуко»
Кожевніков Євген Олександрович
9 «Б» клас МБОУ «ЗОШ №6»
Давидова Ірина Миколаївна
вчитель фізики МБОУ «ЗОШ №6»
1. Маятник Фуко 3
1.1. Історія створення маятника Фуко 3
1.2.1. Демонстрація досвіду 5
1.2.2. Принцип роботи маятника
1.3. Біографія Ж.Б.Л. Фуко 6
1.4. маятники Фуко 7
1.4.1. Маятники, що діють в Україні та країнах СНД 7
1.4.2. Маятники, що діють, в інших країнах 9
1.5. Цікаві факти 11
2. Практична частина 11
2.1. Моделі маятника, які можна зробити 11
2.2. Модель маятника, представлена на конкурс 13
Список литературы 15
Про існування маятника Фуко я дізнався з курсу фізики 9 класу (тема «Коливання та хвилі»). А потім переглянув телепередачу «Галілео», в якій я побачив модель маятника, виготовленого умільцями програми. І я вирішив перевірити, чи зможу сам виготовити подібну працюючу модель. Для цього я зібрав та вивчив інформацію з різних джерел: книги, ЗМІ, Інтернет. Матеріал був настільки цікавий, що вирішив його систематизувати і самому виготовити модель.
Метою даної є систематизація зібраної інформації та створення настільної демонстраційної установки маятника. У роботі я виклав матеріал про історію створення маятника, його першу демонстрацію, принцип роботи, про різні види моделей маятника, створених по всьому світу, і пропоную на розгляд журі модель маятника, зроблену своїми руками.
Зі своєю роботою я виступав на уроці фізики перед однокласниками та на шкільній науково-практичній конференції «Дорогами відкриттів» та був нагороджений грамотою за перемогу в номінації «Прикладна фізика»
1.1 Історія створення маятника Фуко
Спостерігати за гойданнями світильників у соборі, виявляється, любив не лише Галілей. Цю пристрасть він передав і своєму учневі Вінченцо Вівіані. У 1660 р., на відміну від Галілея, він звернув увагу на іншу особливість коливань маятника на довгій нитці.
Виявляється, площина їх хитання постійно відхиляється, причому завжди в один і той же бік - за годинниковою стрілкою, якщо дивитися на маятник зверху вниз. А в 1664 р. вчений із міста Падуї Джованні Полені пов'язав це відхилення з обертанням Землі – мовляв, Земля обертається, а площина коливань маятника як була, так і залишається. Ось і спостерігається це людьми, що стоять на Землі, як відхилення площини хитань маятника.
Але виявляється, ця властивість маятника була відома і всюдисущим давнім. Справді, нове – це добре забуте старе. Ось що писав із цього приводу у своїй «Природній історії» римський вчений Пліній Старший, який жив у І ст. н. е.: «Є можливість влаштувати компас без магніту. Для цього потрібно взяти маятник і змусити його хитатися за певним напрямом. При поворотах корабля маятник зберігатиме у своїх гойданнях заданий напрямок» (рис. 1).
Мал. 1. Компас Плінія Старшого на кораблі Мал. 2. Пруток, затиснутий у обертовому
патроні, що не змінює площину коливань
Треба сказати, дещо у раді Плінія викликає сумнів. Перше - не міг Пліній знати про компас, в Європі про нього дізналися набагато пізніше, принаймні дали цю назву. Тож багато чого, що приписується Плінії, цілком міг віднести від себе перекладач йогопраць з латині у XVIII ст. Друге - неможливо, щоб так довго маятник не змінював площини своїх коливань, його підвіс зробити ідеальним не можна, та й повітря навколо даватиме перешкоди. І третє - обертання Землі саме "відхилятиме" площину коливань маятника, так що корабель "заходить" по колу. Але так чи інакше, Плінієм було помічено, що маятник зберігає площину своїх хитань. І цю властивість блискуче застосував французький вчений Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868), створивши свої знамениті маятники. З дитинства Фуко вчитися не любив, знання давалися йому важко. Але руки у нього були золоті – він майстрував іграшки, прилади, сам збудував парову машину, чудово працював на токарному верстаті.
Одного разу Фуко зауважив, що якщо затиснути в патроні верстата довгий пружний сталевий прут і змусити його коливатися (мал. 2), то площина коливань не зміниться навіть при швидкому обертанні патрона. Зацікавившись цим явищем, Фуко став спостерігати спочатку за поведінкою того ж прутка в патроні, що обертається, а потім для зручності вирішив замінити його маятником.
Перші досліди з маятником Фуко провів у льоху свого будинку у Парижі. До вершини склепіння він прикріпив двометровий дріт із загартованої сталі і підвісив на ній п'ятикілограмову латунну кулю. Відвівши кулю вбік, зафіксувавши її за допомогою нитки біля однієї зі стін, Фуко перепалив нитку, надавши маятнику можливість вільно хитатися. І вже за півгодини він став свідком обертання Землі.
Про досвід Фуко заговорили всюди. Всім хотілося на власні очі побачити обертання Землі. Дійшло до того, що президент Франції принц Луї-Наполеон вирішив поставити цей досвід у воістину гігантських масштабах, щоб демонструвати його публічно. Фуко було надано будівлю паризького Пантеону з висотою бані 83 м.
1.2.1. Демонстрація досвіду
Вперше публічна демонстрація була здійснена Жаном Фуко в 1851 р. в Паризькому Пантеоні (рис. 3): під куполом Пантеону він підвісив металеву кулю масою 28 кг із закріпленим на ньому вістрям на сталевому дроті довжиною 67 м, кріплення маятника дозволяло йому вільно. напрямках, під точкою кріплення було зроблено кругову огорожу діаметром 6 метрів, по краю огорожі була насипана піщана доріжка таким чином, щоб маятник у своєму русі міг при перетині прокреслювати на піску позначки. Щоб уникнути бічного поштовху при пуску маятника, його відвели убік і прив'язали мотузкою, після чого мотузку перепалили.
Мал. 3. Маятник Фуко у паризькому Пантеоні
Період коливання маятника за такої довжини підвісу становив 16,4 секунд, при кожному коливанні відхилення від попереднього перетину піщаної доріжки становило
3 мм, за годину площина коливань маятника повернулася більш ніж на 11° за годинниковою стрілкою, тобто приблизно за 32 години здійснила повний оберт і повернулася до попереднього положення.
1.2.2. Принцип роботи маятника
Принцип роботи маятника Фуко полягає в тому, що він за кожне коливання відхиляється про задану траєкторію завдяки обертанню Землі навколо своєї осі, найбільше цей ефект помітний на полюсах планети і взагалі не помітний на екваторі. Чим більший розмір маятника, тим більше помітний ефект відхилення. Якщо працюючий маятник, а точніше каркас починати повертати, то маятник зберігає своє положення, також відбувається із Землею, вона обертається під маятником і здається, що маятник змінює напрямок своїх коливань, насправді маятник просто зберігає своє положення, а Земля обертається. Так як маятник не жорстко пов'язаний з каркасом, тому каркасобертається разом із землею, а маятник зберігає своє становище.
1.3. Біографія Ж.Б.Л. Фуко
1.4. маятники Фуко, що діють
1.4.1. Діючі маятники в Україні та країнах СНД
Мал. 4. Маятник Фуко у Київському політехнічному інституті
Мал. 5. Маятник Фуко у Московському планетарії
Чинний маятник Фуко з довжиною нитки 20 метрів є в Сибірському федеральному університеті (Красноярськ).
Маутник Фуко, що діє, масою 12 кілограмів і довжиною нитки 8,5 метрів, є в Волгоградському планетарії.
Чинний маятник Фуко нині є у Санкт-Петербурзькому планетарії. Довжина його нитки – 8 метрів.
У Білорусі маятники Фуко встановлені у Білоукраїнському державному педагогічному університеті імені Максима Танка (довжина нитки — 7,5 метрів) та у каплиці на меморіальному комплексі «Буйницьке поле» (Могильов) (рис. 6).
Ще один маятник Фуко знаходиться у Барнаулі в АлтДТУ ім. І. І. Ползунова на кафедрі експериментальної фізики у 403 аудиторії. Довжина його нитки становить 5,5 метрів.
Чинний маятник Фуко нині є у Технічному Університеті Молдови.
1.4.2. Маятники, що діють, в інших країнах
Загалом у світі моделей маятників Фуко близько двадцяти, у тому числі у США, Франції, Румунії, Австралії, Кувейті та інших країнах.
Маятник Фуко у Паризькому Пантеоні Паризький Музей мистецтв та ремесел
Міссурі, печера (США) Ілліноїс, Чикаго (США)
Каліфорнія (США) Орегон, Портленд (США)
Норвегія Барселона (Іспанія)
Центр Коперника у Варшаві Планетар Солт-Лейк-Сіті
Обсерваторія Гріффіта (Лос-Анджелес) Х'юстонський Музей Природних Наук
1.5. Цікаві факти
Один із елементарних способів вирішення цікавої задачі П.Л. Капіци про хмарність Венери є вимір довжини діб за допомогою маятника Фуко.
Текст завдання: «Астрономічні спостереження показують, що на планеті Венера є повна хмарність, так що «жителі» Венери позбавлені можливості спостерігати небесні світила. Опишіть, яким методом вони могли б точно виміряти довжину своєї доби.
3. І ще про Фуко. Він погано навчався у школі (увага, ледащо!), не тягнувся до знань. До того ж він мав дуже слабке здоров'я. Але захопившись цікавою справою, він став знаменитим на весь світ вченим, його ім'я увійшло до всіх енциклопедій. Ось що таке захоплення!
2. Практична частина
2.1. Моделі маятника, які можна зробити самому
1. Прив'яжіть до олівця нитку з грузиком – наприклад, з гайкою. Покладіть на стіл лінійку і, тримаючи олівець горизонтально, підштовхніть маятник, щоб він гойдався вздовж лінійки (рис. 7). Почніть поступово повертати олівець у горизонтальній площині Ви переконаєтеся, що поворот олівця не вплинув на маятник, він, як і раніше, хитатиметься вздовж лінійки. Під час цього досвіду не повинно бути вітру, протягу, які могли б вплинути на маятник. Мал. 7
2. Можна перевернути вгору ногами табуретку і зміцнити на кінцях двох її ніжок, по діагоналі, якусь дерев'яну палицю або металеву трубку, а до середини її прив'язати маятник. Змусіть його гойдатися так, щоб площина його гойдання проходила між ніжками табуретки. Повільно повертайте табурет навколо її вертикальної осі, і ви помітите, що тепер маятник гойдається вже в іншому напрямку (рис.8). Насправді він гойдається все також, а зміна відбулася через поворот самої табуретки, яка в даному досвіді відіграє роль нашої Землі. Мал. 8
3. Можна виготовити маятник, наприклад, прив'язавши до ниткиважку гайку, взяти в руку вільний кінець нитки і ... Ні, вам не доведеться стояти годинами, чекаючи, поки Земля повернеться. Краще станьте на відому лаву Жуковського або навіть на покупну «Грацію» і, витягнувши руку з маятником, що коливається, спробуйте обертати себе. Маятник у вашій руці зберігатиме спочатку заданий напрямок коливань, наприклад, від дверей до шафи (рис. 9).
4. Візьміть дерев'яну дошку довжиною 50-60 сантиметрів, шириною 12-15 сантиметрів і товщиною 2-3 сантиметри. Зміцніть на ній П-подібну підставку із вузьких дерев'яних рейок. Висота підставки має бути близько 30-40 сантиметрів. У середині верхньої перекладини просвердліть вертикальний отвір і вставте в нього шматочок дроту, загнув верхній кінець, щоб він тримався в отворі. Нижній кінець зволікання загніть гачком, на ньому буде підвішено маятник. Цей гачок має вільно обертатися у своєму гнізді.
На тонкому шнурку підвісьте до гачка якийсь важкий грузик (велику гайку, велика кулька від підшипника, загорнувши його в ганчірочку).
Розкачайте маятник так, щоб його розмах не перевищував довжину підставки. Повертаючи підставку навколо її вертикальної осі проти годинникової стрілки, ви тим самим повторите в мініатюрі обертання Землі із заходу на схід. Наша модель Землі повертається, а маятник продовжує коливатися у тій площині, де він був запущений.
2.2. Модель маятника, представлена на конкурс
Модель мого маятника зроблена по
подоби моделі із програми
Модель маятника Фуко (рис. 10)
зроблена за допомогою наступних
Як вантаж маятника використовується будівельний підвіс
Каркас виготовлений з 3 метало-пластикових труб.
Кріплення труб виготовлене із сталевої болванки.
Зібраний матеріал тавиготовлений прилад можуть бути використані як на уроках фізики, так і в позаурочній діяльності, наприклад, в рамках Тижня фізики, на заняттях предметного гуртка.
Так як математичний апарат, що супроводжує опис маятника Фуко, відноситься до курсу вищої математики, я вважаю за доцільне продовжити роботу з цієї теми.
Пінський А.А., Розумовський В.Г. Фізика та астрономія. 7 кл. - М.: Просвітництво, 1999 р
Перишкін А.В. фізика. 9 кл. - М.: Дрофа, 2008 р
Верін А. Досвід Фуко
Нурбей В. Г. "Дивовижна фізика"
Храм Ю.А. "Фізики". Біографічний довідник - М.: Наука, 1983 р
Енциклопедія Кольєра. - Відкрите суспільство, 2000 р