<p class="ql-block">物理学家斯蒂芬·霍金曾说过：“记住要仰望星空，不要只看脚下。尝试理解你所看到的，并思考宇宙为何存在。保持好奇心。”</p> 探究缘起 <p class="ql-block">这个暑假，我就有了这样一个机会，去参观美国加州格里菲斯天文台。</p> <p class="ql-block">踏入格里菲斯天文台的瞬间，最先映入眼帘的，便是大厅中央那台气势恢宏的傅科摆。长长的摆线从高耸的穹顶垂下，末端的摆锤沉甸甸的，带着一种沉稳的力量感，又散发着一种引人入胜的魔力——仿佛下一秒，就能带你窥见自转的秘密。</p> <p class="ql-block">这第一眼的相遇，就像给这场天文探索按下了启动键。</p><p class="ql-block">开启我们的探究之旅吧！</p> 探究过程 <p class="ql-block">七年级时，我们曾学过傅科摆证明了地球自转，但我一直不知道傅科摆是如何证明地球自转的，直到真正见识到傅科摆，我才去仔细了解它。</p> <p class="ql-block"><b style="color:rgb(1, 1, 1);">【傅科摆小知识】</b></p><p class="ql-block">你可以把傅科摆想成一个超大号的秋千，推它一下，它就会一直朝一个方向晃。但神奇的是，过一会儿你会发现，它晃的方向好像慢慢变了——不是秋千自己想变，秋千由于惯性，仍旧往同个方向摆动，而是咱们脚下的地球在转，带着咱们一起动，所以看起来秋千的方向发生了偏转。</p><p class="ql-block">它的摆动方向会随地球自转而偏转，偏转速度和纬度有关。比如在北极，摆动方向每小时会顺时针转约15度，转完360度约为24小时，而在美国加州格里菲斯天文台，傅科摆完成一周偏转需要42小时。</p> <p class="ql-block"><b style="color:rgb(1, 1, 1);">【我的疑问】</b></p><p class="ql-block">这样的话，同样在极点位置，把傅科摆移到火星上又会怎样？其他八大行星上呢？</p> <p class="ql-block"><b style="color:rgb(1, 1, 1);">【实验雏形】</b></p><p class="ql-block">一个实验在我脑海里形成了。是否可以制作一个装置，通过不同的数据设置，给大家展示不同行星上傅科摆的摆动情况，更直观体验傅科摆的科学密码？以下是我的手绘设计图纸：</p> <p class="ql-block"><b style="color:rgb(1, 1, 1);">【数据调查】</b></p><p class="ql-block">动手前，我先傅科摆的摆动周期影响因素以及对八大行星数据做了调查。</p> <p class="ql-block">单摆周期核心公式：</p> <p class="ql-block">单摆周期和星球重力加速度以及摆长相关。八大行星中木星、土星、天王星、海王星属于气体巨行星，没有固体表面（无法放置傅科摆），这里先不计入对比。 因为不同行星上重力加速度不同，所以要模拟各行星单摆周期的话，只能改变摆长，改变比例和重力加速度成反比。自转周期比值看，水星和金星比地球慢很多，而火星接近地球，可以通过改变转盘的转动速度来模拟。</p> 实验过程 <p class="ql-block"><b>【实验材料】</b></p><p class="ql-block">铁架台，棉线，漏斗，颜料，卡纸，胶水，烧杯，一次性碗，马达，树莓派，马达驱动器，电脑等。</p> <p class="ql-block">在实验过程中我遇到了两个<b>【棘手问题】</b>：</p><p class="ql-block">一是漏斗孔太大，出水太快，实验现场有点惨不忍睹。</p><p class="ql-block">二是手动拨动转盘，转盘很难维持匀速转动，难以精准把控。</p> <p class="ql-block"><b>【一次改良】</b></p><p class="ql-block">漏斗口太大的问题，通过用滴管改良了漏斗孔得以解决。</p><p class="ql-block">转盘转速的问题，人工手速转动，太难把握，是否可以用马达来控制转盘转动呢？</p> <p class="ql-block">马达的确让转盘转动更丝滑了，但是速度太快了，无法调整速度。</p> <p class="ql-block" style="text-align:center;">（以上是实物链接线路图）</p><p class="ql-block">既然机械控制不行，那么能不能通过编程来解决呢？</p><p class="ql-block"><b>【二次改良】</b></p><p class="ql-block">程序通过树莓派传递信号来控制马达驱动板。看，正转，反转，快速，慢速，都能轻松实现，就是这么神奇。</p> 软件及环境 <p class="ql-block"><b>1.操作系统</b></p><p class="ql-block">Raspberry Pi OS </p><p class="ql-block"><b>2.编程语言和库</b></p><p class="ql-block">Python 3 (推荐Python 3.8+) </p><p class="ql-block">GPIO库：</p><p class="ql-block">RPi.GPIO：树莓派GPIO控制基础库</p><p class="ql-block"><b>3. 开发工具</b></p><p class="ql-block">VS CODE</p> 美化作品 <p class="ql-block">茫茫宇宙，更遥远的是黑暗和寒冷。而各大行星绕着恒星运动，又像是无声转动的黑胶唱片，播着自己的独特旋律，告诉我们宇宙神秘的密码。</p><p class="ql-block">一个想法在我脑海里出现了，把这个惯性装置美化成揭示宇宙密码的黑胶唱片。说干就干！</p> <p class="ql-block">用黑卡纸将转盘美化成黑胶唱片，摆动的漏斗当作唱针。酷酷的装置就装点好了。让我们来测试一下吧！</p> 测试结果 <p class="ql-block">单摆的摆长我们按重力加速度反比例设置。这里说明下由于模拟转盘转速问题，我们对行星的选择做了调整。水星的自转速度是58.6地球日，金星是自东向西转，自转速度是243个地球日，较地球都非常慢，按比例调整，转盘实际上是等于不动的。所以我们模拟了一个方向转的慢速金星，然后选了一个快速转的土星（土星自转速度10小时33分），进行快慢对比。更容易出片噢！</p><p class="ql-block">让我们来试一试通过人工干预摆动轨迹，创作一幅独特的作品吧。作品如下：</p> <p class="ql-block">当最后一点颜料在画面上干透，那幅由摆锤“画”出来的画，就像一本特别的宇宙笔记——弯弯曲曲的线像是行星转圈时留下的脚印，深浅不一的颜色像是不同行星留下的各自独特的魅力。</p><p class="ql-block">看着这幅又有科学又有想法的画，我突然明白了：傅科摆来回晃，不只是在演示一个科学道理，更像是宇宙在跟我们说悄悄话；那些颜料画出的道道，不光记录了实验的过程，也是把大自然的规律说得明明白白。</p> 探究感悟 <p class="ql-block">这次来格里菲斯天文台，真的让我觉得：研究宇宙不是只有专家才能做的事，它就藏在每个人抬头看星星的时候，藏在我们总想问“为什么”的心里。我们可能就像这个摆锤一样不起眼，但只要一直保持好奇、一直去探索，就能在自己的小世界里，和大大的宇宙碰出有意思的火花，也给这个世界留下点只属于自己的东西。</p>