第二章學生物理發明啟迪2
8.傅科擺的發明
胡克曾在1679年給牛頓去信，詢問地球表麵上落體的軌跡。他問牛頓：如果考慮地球在公轉之外還有自轉，空中一物體下落的軌跡是怎樣的?如果在地球內部物體落在地心附近又會怎樣?牛頓在複信中回答：由於地球自西向東轉，空中一物體向地心落下的軌跡應向東偏離垂直線，至地心附近沿一螺旋線落向地心。胡克對牛頓的回答很不滿意。再次去信指出：根本不類似於一螺旋線，不如說是某種橢圓，沿與赤道平麵成51°32′的斜麵向東南方向落下。胡克這一提示使牛頓吃了一驚，認識到自己對地球的運動了解得不夠清楚。胡克這一很有分量的提示不是憑空提出來的，他詳細研究過落體運動。
據說，他曾做過子彈從高處下落的實驗，並證明了子彈落點總要落到通過垂直懸吊著的同樣的子彈所求出的垂直點的東南方向。如果這一傳聞屬實，胡克的落體實驗應該算是最早能證明地球自轉的實驗了。
這樣的實驗直到19世紀還有人在做。因為自從哥白尼提出日心說以來，雖然經過長期的論證，人們對地球的運動已經深信不疑，但還缺少直接的實驗以證明地球的自轉。這類實驗是很有價值的，因為由此可以進一步研究與地球自轉有關的許多自然現象。
不少人致力於用落體證明地球的自轉。例如：1791年加格利耳米尼(G.B.Guglielmini)從波洛尼亞的塔上、1802年本岑伯(J.F.Bengenberg)從漢堡的塔上都做了落體實驗，專門研究這個問題。1833年德國的萊希更進一步找了一個礦井做落體實驗。這個礦井在德國薩克森，井深188米。萊希在106次獨立的觀測中得到的平均偏離為28毫米，方向是東偏南。但是，所有這些實驗都無法直接向廣大觀眾演示，因為偏離過於微小，氣流的幹擾會嚴重影響實驗結果。
以實驗方法為地球自轉提供直接證據的是傅科(J.B.L.Foucault)的擺錘實驗，也就是有名的傅科擺。
傅科是法國著名實驗物理學家，他學過醫學，當過幾年醫生，後來轉向物理學的實驗研究。1845年任《辯論》報的科學記者，經常為科學專欄撰稿，介紹當代科學的新進展。同時，他也在自己家中開展物理實驗。他研究過照相術，並用之於天文攝影。他對擺和地球自轉問題的興趣，正是起因於天文觀察。1845年，他和斐索(A.H.L.Fizeau)合作，曾拍攝到太陽的照片，後來又想拍攝星體照片，這就需要進行長時間的曝光，望遠鏡係統在拍攝過程應能連續保持指向天空中的目標。為了控製望遠鏡係統的運動，使它能跟蹤目標，傅科依照17世紀惠更斯未曾實現的圓錐擺鍾的設計方案，做了一台特殊的鍾。他用一根鋼棒支撐擺錘。在實驗過程中，他注意到，當把鋼棒夾在車床的卡子上，用手轉動車床時，鋼棒振動總是要維持它原來的振動平麵，不隨車床轉動。
這一不期而遇的現象，引起了傅科的興趣，使他想到可不可以用類似的方法做一個表演來證明地球的自轉。他知道這是一個很有價值的實驗。
1851年1月8日，傅科在他家裏的天花板下用2米長的鋼絲吊一個5千克重的擺錘，組成可沿任意方向擺動的擺。在擺動的最高處用一根絲線拉住，然後用火燒斷絲線，擺就開始擺動。傅科發現，擺動平麵不斷旋轉，逐漸轉向“天球晝夜運動的方向”。隨後，傅科又在巴黎天文台的大廳裏，用11米長的擺錘重複這一實驗。1851年2月3日，傅科向法國科學院報告了他的發現，宣布擺動平麵所描繪的圓的大小與緯度的正弦成反比。這個實驗不久又按比例擴大規模，搬到巴黎的偉人祠去做。一個28千克的重球用67米長、14毫米粗的金屬絲掛起。偉人祠擠滿了觀眾，這個實驗引起人們極大的興趣。
傅科是一位很有才華的實驗物理學家。他還在光速的測量上有過重大的發明創造。
9.避雷針的發明
1746年，在美國波士頓舉行的電學實驗講演會上，有一位聽眾入神地聽著萊頓瓶實驗的故事，他就是富蘭克林(B.Franklin)，那時他已40歲。他是美國著名的政治活動家和外交家，原先當過印刷學徒工，自學成才，對自然科學很感興趣，但直到40多歲，才有功夫從事電學研究。
他第一個提出電荷概念，用數學上的正負概念來表示兩種電荷的性質，並且通過實驗確定電荷守恒定律。大家都知道，避雷針是富蘭克林的一項重大發明，由於有了避雷針，人類避免了許多天然災害。然而，富蘭克林發明避雷針，原本並不是為了解決現實生活中的難題，而是出於對天電的探索研究。他的這項研究成果，不但有助於破除人們對自然的迷信，認識了雷電的真實性質，而且對電學的發展有重大意義。
自古以來，天電、地電互不相關，地麵上人們已經進行了許多實驗，對電的性質已有所了解，但對天上的雷電卻仍感到是神秘莫測。到18世紀中葉，已經有不少人認為閃電和電火花類似。富蘭克林也和他們一樣，通過對比說明兩者的相似性，不過富蘭克林的認識比別人深刻，例如：他在一封書信中列舉了電流體與閃電在如下特點上一致：
①發光；②光的顏色；③彎曲的方向；④快速運動；⑤被金屬傳導；⑥爆發時有霹靂聲或噪聲；⑦在水中或冰中仍能維持；⑧劈開它所通過的物體；⑨殺死動物；熔化金屬；使易燃物燃燒；硫磺氣味。
然而他又認為，僅僅靠對比，還不足以作出科學論斷。要確證天電、地電的一致性，最好的證據是捉住天電，也就是把天電引到地麵上來做對比實驗。為此他提出了一個方案，在高處安一崗亭，利用尖端把低雲掠過時所帶的電引到地麵上來。
第一個按照富蘭克林建議進行實驗的是法國的達裏巴爾德(T.F.Dalibrard)。他在巴黎近郊馬裏村的高地上建造了一所崗亭，崗亭上樹立起高約14米的鐵杆。1752年5月10日，黑雲壓天，雷雨將臨，達裏巴爾德和他的同事成功地把天電引進了萊頓瓶。5月13日，他向法國科學院報告了這一實驗，並且說，實驗的成功不但證明了閃電和電的等同性，還表明可以利用富蘭克林的方法保護房屋建築免遭雷擊。
從此，到處都在重複金屬尖端做避雷器的試驗。富蘭克林則認為，巴黎實驗中用的鐵杆還不夠高，難以證明電是從雲端引下來的，一個新的思想掠過他的腦海，何不用風箏把天電引下來做試驗呢?於是，他用兩根輕的杉木條做成小十字架，用絲綢手帕蒙上，紮好。取一根尖細鐵絲固定在十字架的一頭，伸出約半米長，拴上牽引風箏的亞麻繩，亞麻繩的下端接絲綢帶，在接頭處掛一把鑰匙。在他兒子的陪同下，他把風箏放上天，隻等雷雨天氣的到來。1752年10月19日他在給友人柯林孫(P.Collinson)的信中描述了實驗的情況。由於雨水打濕了風箏和牽引風箏的亞麻繩，雲層中的電沿濕繩傳到萊頓瓶裏。等雨過後，拆下萊頓瓶，再按通常的方法使萊頓瓶放電，放出的電跟用摩擦起電機產生的電毫無兩樣。富蘭克林寫道：“由此即可完全證明電物質和閃電純屬同一回事。”
富蘭克林還做過一個有名的金屬桶實驗，目的是設法從帶電的金屬桶內取出電來，他用木髓球與金屬桶的內表麵接觸，看木髓球是否帶電，可是無論如何都無法使木髓球帶電。富蘭克林隻好寫信給他的英國朋友請教，這一請教，竟導致了一個新定律的發現。這個新定律甚至奠定了電學的基礎。這就是所謂的庫侖定律。
10.電報和電話的發明
19世紀上半葉，由於電學研究的開展和電磁方麵的新發現，社會上激起了廣泛的熱情，急切希望把這些科學成果應用於生活和生產中。其中電報和電話的發明和改進，尤其具有突出而深遠的影響。
首先發明了電磁式有線電報。早在18世紀初，當格雷發現電傳導性後，人們就開始探索如何用電進行通信，許多方案被提了出來，有的還試著實踐一番。例如：1774年瑞士有一位工程師叫勒薩奇，利用摩擦起電，實現了最早的有線電通信。1787年西班牙的貝坦考特用萊頓瓶實現了電報傳遞。1809年法國人賽梅林發明電化學電報機，通過電解的氣泡來反映傳遞的信號。然而，由於傳遞速度太慢，信號不夠準確，這些努力都沒有取得成功。
19世紀二三十年代發現了電磁感應，做成了電磁鐵，當時的條件就不同了。許多人在不同的地方，不約而同地提出了用電磁效應傳遞電報的各種方法，紛紛宣布發明了有線電報。