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卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)怎樣放大微小量的變化

 讀書作樂 2021-11-04
    牛頓發(fā)表萬有引力定律之后100多年,1798年,67歲的英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許,利用扭秤,精確地測(cè)出了萬有引力定律中的常數(shù)的數(shù)值,證明了萬有引力定律的正確。使得萬有引力定律成為定量測(cè)量的公式。他測(cè)量的精確,與目前公認(rèn)的數(shù)值只差百分之一,在此后的80多年間沒有人超過他的精確度。卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙——放大微小的作用力的方法,成為科學(xué)史上經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)。
                卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)怎樣放大微小量的變化
                                       卡文迪許 1731-1810

 在第一節(jié)了解萬有引力中,我們已經(jīng)知道地球上兩個(gè)物體間的引力非常小,因?yàn)橐Τ?shù)非常小,任何一個(gè)干擾力都會(huì)使實(shí)驗(yàn)失敗。怎樣能夠測(cè)得出來?怎樣測(cè)得精準(zhǔn)?看下面的卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)裝置圖(轉(zhuǎn)載),看卡文迪許的考慮。

      卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)怎樣放大微小量的變化


         扭秤的主要部分是一個(gè)輕而堅(jiān)固的T形架,倒掛在一根金屬絲的下端。T形架水平部分的的兩端各裝一個(gè)質(zhì)量是m的小球,T形架的豎直部分裝一面小平面鏡M,它能把射來的光線反射到刻度尺上,這樣就能比較精確地測(cè)量金屬絲的扭轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量是m’的大鉛球放在小球旁邊,如下圖1(轉(zhuǎn)載)。當(dāng)萬有引力F使T形架偏轉(zhuǎn),如圖2(轉(zhuǎn)載),大球與小球相距r ,偏轉(zhuǎn)前光點(diǎn)的位置在o點(diǎn),偏轉(zhuǎn)后光點(diǎn)的位置在p點(diǎn), o,p兩點(diǎn)的距離有明顯的變化,由此可以計(jì)算出T形架偏轉(zhuǎn)的角度。

卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)怎樣放大微小量的變化
  

 根據(jù)兩個(gè)小球的引力的力偶矩,與扭力矩相等,可以計(jì)算出引力F

卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)怎樣放大微小量的變化
     

卡文迪許清楚,引力很小,任何一個(gè)微小的干擾力就會(huì)使實(shí)驗(yàn)失敗。卡文迪許采用了把實(shí)驗(yàn)裝置密封在一個(gè)容器內(nèi)。卡文迪許的設(shè)計(jì),首先是盡可能地增大了T型架連接兩球的長(zhǎng)度,使兩球間萬有引力產(chǎn)生較大的力矩 其次是增大弧度尺與系統(tǒng)的距離使小鏡子的反射光在弧尺上移動(dòng)較大距離。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確實(shí)體現(xiàn)了高度的智慧。

地球引力對(duì)地面上的物體都有作用。物體只要有質(zhì)量,就有重量,或稱重力。質(zhì)量和重量雖然是兩個(gè)不同的概念:質(zhì)量是物體所含物質(zhì)的多少,重量是地球引力,數(shù)值和單位都不一樣。但日常生活中,在不致引起混淆的情況下,用相同的數(shù)量和單位表示這兩個(gè)概念,比如,說買大米的1公斤,這表示大米的質(zhì)量是1公斤,還可以表示大米的重量1公斤。但是在做計(jì)算時(shí),質(zhì)量1公斤是 m , 重量1公斤或稱1公斤重,是 mg , 質(zhì)量還得乘以重力加速度 g 。

有質(zhì)量就有重量,好像一般都是這樣。但是物體失去重量的事情也是可以遇見的——物體的重量減少了,或失去重量。我們看到軌道中的宇宙飛船中、太空空間站中,宇航員飄來飄去,或頭向下倒掛天花板,是處在失重狀態(tài)。

為什么物體會(huì)處在失重狀態(tài)?



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