扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)量出了什么 扭秤實(shí)驗(yàn)

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1、假說(shuō)的提出 這是一個(gè)“老掉牙”的故事,想必大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)。

2、16世紀(jì)末,意大利著名物理學(xué)家伽利略,在比薩斜塔上做了一次公開(kāi)實(shí)驗(yàn):他的兩只手中,拿著兩個(gè)不同重量的鐵球,一個(gè)十磅重,一個(gè)一磅重,兩個(gè)鐵球同時(shí)脫手,而且同時(shí)著地。

3、這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推翻了亞里士多德保持了兩千多年的理論,因而在近代物理學(xué)史上傳為佳話。


【資料圖】

4、 可是問(wèn)題并沒(méi)有就此完結(jié)。

5、現(xiàn)代物理學(xué)的理論可以證實(shí),真空中兩個(gè)不同重量的鐵球,從相同的高度同時(shí)下落,一定會(huì)同時(shí)著地的。

6、但是兩個(gè)不同材料構(gòu)成的物體,比如一根羽毛和一個(gè)鐵球,是不是也具備同樣的性質(zhì)呢? 我們知道,在生活中,羽毛的下落速度,明顯比鐵球慢得多。

7、據(jù)說(shuō)這也是當(dāng)初亞里士多德理論的來(lái)源之一。

8、伽利略認(rèn)為,這是由于羽毛的重量太輕,因此在下落的過(guò)程中,會(huì)受到較大的空氣阻力。

9、如果在真空中,羽毛和鐵球從相同的高度同時(shí)下落,一定也會(huì)同時(shí)著地的。

10、 由于實(shí)驗(yàn)條件的局限,伽利略沒(méi)能在有生之年完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

11、隨著科技的發(fā)展,人類(lèi)在自然界中制造出了高真空,伽利略的遺愿終于可以實(shí)現(xiàn)了。

12、在真空中,人們看到羽毛和鐵球從相同的高度同時(shí)下落,果然是同時(shí)著地的。

13、 本來(lái),這個(gè)懸案應(yīng)該到此為止了。

14、可是進(jìn)入20世紀(jì)以后,人們又發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題。

15、1922年,匈牙利科學(xué)家富佛斯在一次真空實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),不同重量、不同材料的物體,從相同的高度同時(shí)下落,并不是完全同時(shí)著地的,而是存在微小的時(shí)間差距。

16、但是富佛斯的發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起當(dāng)時(shí)物理界的關(guān)注。

17、 富佛斯的發(fā)現(xiàn)被擱置了60多年。

18、直到1986年,世界物理學(xué)界才開(kāi)始認(rèn)真研究富佛斯的真空下落實(shí)驗(yàn),結(jié)果得到了令人更為吃驚的結(jié)論: 在真空中,羽毛竟然比鐵球先著地!400年前伽利略的猜想,又被推翻了。

19、 經(jīng)過(guò)大量細(xì)致的研究,現(xiàn)代的物理學(xué)家們總結(jié)出了如下結(jié)論:正在下落的物體,不僅受到重力的作用,而且還有一個(gè)較小的“排斥力”在搗亂。

20、這種“排斥力”的方向剛好與重力相反,因此影響了物體下落的速度。

21、現(xiàn)代物理學(xué)中,把這種“排斥力”稱(chēng)為“超負(fù)載力”(也稱(chēng)為“超電荷力”)。

22、由不同材料構(gòu)成的物體,所受到的“超負(fù)載力”也不同。

23、這就是“真空中羽毛比鐵球下落快”的原因。

24、 在“超負(fù)載力”被發(fā)現(xiàn)之前,人類(lèi)所知道的“力”總共可以歸結(jié)為四大類(lèi),即萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

25、而這種“超負(fù)載力”不能歸于四類(lèi)中的任何一類(lèi),只能獨(dú)立成“第五種力”。

26、 當(dāng)然,這“第五種力”是不是存在,物理學(xué)界尚有爭(zhēng)論,因?yàn)榇罅繉?shí)驗(yàn)的結(jié)果并不是完全一致的。

27、因此,人類(lèi)對(duì)這種“超負(fù)載力”的認(rèn)識(shí),還處在初級(jí)階段。

28、亞里士多德和伽利略這兩位偉人留給后人的懸案,何時(shí)能夠完全了結(jié)呢?讓我們拭目以待吧。

29、 在現(xiàn)實(shí)生活中,雞毛和鐵塊,哪個(gè)落得快,答案是清楚的。

30、至于雞毛為何比鐵塊下落得慢呢?人們解釋說(shuō),這是由于地球周?chē)嬖谥髿馊?,雞毛所受的浮力大于鐵塊。

31、 如果在真空管中,雞毛和鐵塊,哪個(gè)落得快,情況就不同了。

32、當(dāng)然,答案也是清楚的:雞毛和鐵塊將同時(shí)落到底部。

33、 至此,不同重量的兩個(gè)物體究竟誰(shuí)先落地似乎已明白無(wú)誤了。

34、 然而在1992年,匈牙利的勞倫特·馮·富佛斯等在一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):不同重量物體的下落時(shí)間略有不同。

35、可當(dāng)時(shí)這一發(fā)現(xiàn)卻未引起人們的重視。

36、 近二十余年來(lái),美國(guó)的朗格等對(duì)富佛斯的實(shí)驗(yàn)重新進(jìn)行分析,他們發(fā)現(xiàn):雞毛和鐵塊的下落速度確實(shí)不同,而且雞毛的下落速度要略大于鐵塊。

37、請(qǐng)注意,現(xiàn)在是輕物要比重物下落得快,這又是什么原因呢? 朗格根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)及1891年以來(lái)有相當(dāng)可靠程度的七組實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,在實(shí)驗(yàn)室尺度上,牛頓的引力平方反比定律和實(shí)驗(yàn)相比有一系統(tǒng)的偏差。

38、這個(gè)偏差,可以表示為引力常數(shù)隨距離的變化。

39、 以后,對(duì)大量地球物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析證實(shí)了它的存在,并把它歸結(jié)為存在一種不同于牛頓引力的新力,稱(chēng)之為第五種力。

40、正是由于這種新力的暗中作梗,才使得雞毛捷足先登。

41、當(dāng)然,第五種力的提出,畢竟還只是一種假說(shuō)而已。

42、 為了弄清這種新力的起源,以弗許貝克博士為首的一組美國(guó)物理學(xué)家,還重新分析了歷史上著名的厄缶的質(zhì)量等價(jià)實(shí)驗(yàn)。

43、 我們知道,質(zhì)量有兩個(gè)定義,一個(gè)反映慣性的大小,叫慣性質(zhì)量,以符號(hào)m慣表示,根據(jù)的是牛頓第二定律:F=m慣·a式中,a為力F作用下的物體的加速度。

44、 另一個(gè)反映引力的大小,叫引力質(zhì)量,以符號(hào)M引表示,根據(jù)的是萬(wàn)有引力定律: 式中,G為引力常數(shù),m與R分別為地球的質(zhì)量與半徑,F(xiàn)為物體所受地球的引力。

45、 對(duì)于地面上的自由落體運(yùn)動(dòng),應(yīng)有 這兩個(gè)定義不同的質(zhì)量,是否有一定的比例關(guān)系。

46、通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,它們之間有嚴(yán)格的比例關(guān)系。

47、 最早的證明就是伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn),可得: 其次,牛頓提出三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律,也必然碰到兩種質(zhì)量的關(guān)系問(wèn)題。

48、他用不同材料充當(dāng)單擺的擺錘,進(jìn)行比較它們的擺動(dòng)周期的實(shí)驗(yàn),亦可得: 但是,從實(shí)驗(yàn)方法來(lái)說(shuō),不論是自由落體實(shí)驗(yàn),還是單擺實(shí)驗(yàn),測(cè)量精度都不高。

49、因?yàn)檫@兩種實(shí)驗(yàn)都是動(dòng)態(tài)的,涉及位置和狀態(tài)的變化,還會(huì)受其它因素,例如,空氣阻力的干擾。

50、 于是,匈牙利的厄缶設(shè)計(jì)了更為精確的質(zhì)量等價(jià)實(shí)驗(yàn)。

51、他采用扭秤方法,把動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)改為靜態(tài)實(shí)驗(yàn),直接比較兩個(gè)物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量,從而大大地提高了實(shí)驗(yàn)精度。

52、 一根橫桿懸掛在細(xì)線下,橫桿兩端對(duì)稱(chēng)地固定著材料不同、但質(zhì)量相同的重物A和B。

53、這兩種重物都會(huì)受到重力m引·g和地球自轉(zhuǎn)造成的離心力 性質(zhì)量與引力質(zhì)量等價(jià),則兩重物所受離心力相等,力矩互相抵消,扭秤維持平衡。

54、如果慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量不成正比,則扭秤失去平衡,而使懸絲扭轉(zhuǎn)。

55、 那么,如何測(cè)定懸絲扭轉(zhuǎn)呢?厄缶用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)懸絲上掛著的小反射鏡,觀察望遠(yuǎn)鏡上方的短刻度標(biāo)尺,從而測(cè)量偏轉(zhuǎn)角。

56、為了避免系統(tǒng)誤差,厄缶還將橫桿轉(zhuǎn)180°,換一個(gè)方向測(cè)量。

57、 如此精確系統(tǒng)的測(cè)量,1889年厄缶得到的第一次結(jié)果,實(shí)驗(yàn)精度達(dá)η≤5×10-8。

58、1980年得到第二次結(jié)果,η=3×10-9,后一結(jié)果直到厄缶死后三年才正式發(fā)表。

59、 細(xì)心的弗許貝克認(rèn)為,厄缶當(dāng)年列出不同材料引力加速度的極微小差別也許不是實(shí)驗(yàn)誤差,有可能是真實(shí)效應(yīng)。

60、也就是說(shuō),對(duì)于真空的自由落體,輕物下落快、重物下落慢,過(guò)去把它歸咎于實(shí)驗(yàn)中偶然出現(xiàn)的一種干擾,可是弗許貝克等卻不輕易放過(guò)這一反?,F(xiàn)象。

61、 他們認(rèn)為,在真空中,輕物(比如雞毛)之所以比重物(比如鐵塊)下落快,正是因?yàn)閷?duì)物體起作用的不僅是重力,另外還有一個(gè)較小的排斥力,弗許貝克等稱(chēng)其為“超電荷力”,也就是第五種力,它與兩個(gè)物體之間的引力方向相反,并使不同結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的物體產(chǎn)生稍微不同的加速度。

62、[編輯本段]已知的四種力 本質(zhì)上講,自然界所存在的多種類(lèi)型的力,都可歸結(jié)為四種基本相互作用。

63、那就是引力作用、電磁作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用。

64、 我們現(xiàn)在所觀察到的宇宙,其尺度約為150~200億光年。

65、宇宙中的一切物體都是由一種看不到的力量在主宰著,那就是引力作用。

66、但是它在強(qiáng)度上是四種基本相互作用中最弱的一種。

67、 電磁作用是帶電粒子與電磁場(chǎng)的相互作用以及帶電粒子之間通過(guò)電磁場(chǎng)傳遞的相互作用。

68、在強(qiáng)度上它次于強(qiáng)相互作用而居于四種基本相互作用的第二位。

69、電磁力和萬(wàn)有引力一樣是宇宙中普遍存在的一種長(zhǎng)程力。

70、 主宰著微觀世界的是強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

71、強(qiáng)相互作用是使核子結(jié)合成原子核的作用。

72、在強(qiáng)度上它是四種基本相互作用中最強(qiáng)的一種。

73、它不像萬(wàn)有引力和電磁力那樣是長(zhǎng)程力而是短程力。

74、但是它的力程比弱相互作用的力程長(zhǎng),約為10-13cm。

75、大約等于原子核中核子間的距離。

76、 弱相互作用是存在于原子核內(nèi)部的一種相互作用。

77、在強(qiáng)度上它次于強(qiáng)相互作用和電磁作用之后居于四種基本相互作用的第三位。

78、它也是一種短程力,力程約為10-15cm,比原子核的半徑還小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

79、因此,這種力在極短距離內(nèi)起作用,盡管如此,它在自然界中卻扮演著相當(dāng)重要的角色。

80、沒(méi)有它,太陽(yáng)和許多恒星就會(huì)熄滅,無(wú)法產(chǎn)生由氫形成氦的持續(xù)聚變。

81、 這樣,四種強(qiáng)度懸殊、性質(zhì)各異的基本力,完全控制了我們的宇宙。

82、不過(guò),物理學(xué)家們?cè)缇蛻岩蛇@四種力在宇宙混沌初開(kāi)的某一階段可能原來(lái)是一種作用力,后來(lái)隨著宇宙的演化而各自成家了。

83、 長(zhǎng)期以來(lái),不少物理學(xué)家就致力于這四種基本力的統(tǒng)一工作,以還其廬山真面目。

84、1967年溫伯格和薩拉姆成功地把電磁作用和弱相互作用統(tǒng)一起來(lái),建立弱電統(tǒng)一理論。

85、 目前,物理學(xué)家們正乘勝出擊,致力于建立所謂大統(tǒng)一理論,把電磁作用、弱相互作用和強(qiáng)相互作用三種基本力統(tǒng)一在一起,以及更進(jìn)一步地建立起大統(tǒng)一理論,把所有四種基本力統(tǒng)一起來(lái)。

86、 由于自然界的四種基本力是決定所有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的依據(jù)。

87、現(xiàn)在有可能存在第五種基本力,自然引起物理學(xué)界的極大興趣。

88、[編輯本段]實(shí)驗(yàn)證明 然而,第五種力是否真正存在,首先是一個(gè)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。

89、所以近二十余年來(lái),人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里、礦井中、電視塔上、懸崖旁、海底下做了大量實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了許多精密儀器,以便證實(shí)或否定它的存在。

90、探測(cè)第五種力的實(shí)驗(yàn)大致可以分成下列三類(lèi)。

91、第一類(lèi)實(shí)驗(yàn)是把地球作為引力源,測(cè)量離地心不同距離處重力加速度的變化,以此和按牛頓平方反比定律算得的理論值相比較。

92、例如,墨西哥灣1100平方公里范圍內(nèi)海底海面的703個(gè)重力數(shù)據(jù);澳大利亞西北昆士蘭14000個(gè)鉆孔提供的地層及重力數(shù)據(jù)等。

93、 第二類(lèi)實(shí)驗(yàn)是測(cè)量同一引力源(如大崖巖石)對(duì)質(zhì)量相同而成分不同的物體的引力作用差別。

94、例如美國(guó)布魯海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的新型加速度儀,實(shí)驗(yàn)中浸在水中的懸浮銅球殼(內(nèi)充滿水),在高出哈得遜河161米的崖壁的作用下,測(cè)其加速度,分析銅與水所受到的作用力大小。

95、 第三類(lèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量反物質(zhì)——目前用的是反質(zhì)子和正電子——在地球引力作用下的加速度,如果存在與重子數(shù)和輕子數(shù)相關(guān)的第五種力,則其加速度將和質(zhì)子、電子的不同。

96、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃已獲得批準(zhǔn),但還未取得結(jié)果。

97、 顯然,理論認(rèn)識(shí)是否正確,最后要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

98、盡管目前第五種力的存在的探索實(shí)驗(yàn)多種多樣,但要真正證實(shí)第五種力的存在,尚需做更多、更精密的實(shí)驗(yàn)才能做出最終結(jié)論。

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