你知道地球有多重吗?其实,这个问题古时候就曾有人提出,经过几世纪的变迁,人们依旧无法回答这个难题。
然而,现在你若是在网页上搜索一下“地球有多重”这个问题,就会跳出一个准确答案:地球的质量约为60万亿亿吨。
地球的质量究竟是如何“称”出来的呢?
称地球的重量,异想天开?
地球是一个庞大行星,一个人与其对比,就像是附着在苹果上的一小粒尘埃,小的几乎不可见。
人类能够用工具称出一个苹果的重量,一个人的重量,甚至是一头大象的重量,但想要获得更大体积的质量却十分困难。
我们连一栋房子,亦或者一座山质量的难以用工具测量,更不用想能够有工具可以称出整个地球的重量。
不过,这并不能限制人类的想象,若是能够“撬动”地球,或许能够通过数学公式来计算出其质量。
公元前200年就有一位希腊著名学者阿基米德说出了一句经典名言,“给我一个支点,我能翘起整个地球”!
或许普通人听到这一句话会觉得可笑,但在科学家眼里这一句话并非狂妄之言,而是具有实操性的。
17世纪80年代,一个苹果砸到了牛顿头上,揭开了万有引力的序幕,很快他便公布其定律跟公式。
在以前惯有的认知当中,我们认为只有把需要称重的物体放在能够承载它的“平台”上,才能够得出其质量。但从物理的角度来分析,或许我们能另辟蹊径,通过定律的公式来计算地球质量。
在地球上物体与物体之间存在引力,通过几何法以及比例能够表现,即F=G*(m1*m2/R²),而万有引力得出mg=G*(Mm/R²)。
通过公式,按道理来说是能够计算出地球质量的。不过地球上的引力极其微弱,最终也没能够算出地球质量。虽然没能得出最终结果,但这一研究为测量地球质量拉开序幕。
第一个“称”地球重量的人,卡文迪许
本以为“地球有多重”这个问题会成为永远的谜,却不想1798年一个叫卡文迪许的英国人站出来说,他已经称出了地球的重量。这地球的质量,他究竟是怎么“称”出来的呢?
卡文迪许出生于贵族家庭,因童年丧母性格十分孤僻,在大家眼里是一个或许他是一个“怪小孩”。不过,他从小就展现出了惊人的学习能力,对数学、物理十分感兴趣。
1749年他以优异地成绩考入剑桥,在学校学习期间他也跟教授米歇尔讨论过地球质量问题。
1750年,他很快设计了一个小型试验装置,在一根小木棍两端绑上小铅球,制作出一个像“哑铃”的装置,使用石英丝将其吊起。
只要两个大铅球靠近小铅球,就会受引力作用而发生摆动。若是能够测出其扭动的数值,便能够推算出地球的质量。
想法虽好,但实验起来却十分困难,他实验了很多次都没能成功。因为即便是两个质量达1KG的铅球,相距10厘米时,引力只有10亿分之一千克,实在太微弱,无法测量其具体数据。
失败了很多次,卡文迪许依旧没有放弃,他始终觉得只差一点,差一点就能够计算出来了。
1798年的一天,他百无聊赖地走在路上欣赏着沿途的风景,他注意到一个小孩手里的一个小小镜子。过镜子太阳光被折射形成了一个圆点,镜子一动光点也随之而动。
他突然灵光乍现,立马跑回家来时重新实验。他在密闭的房间内,使用刚性轻质T形架用石英石悬挂,在横杆的两端固定上两个质量均为730g的小铅球。
随后,在使用两个质量为158KG的大铅球靠近小铅球保持两边距离相等。其实,这一实验装置与他之前实验很多次的装置并无变化,只不过这一次他加上了一个小的反光镜。
这一个小镜子固定在石英丝上,使用一束光照射镜子,光线通过镜子反射到刻度尺上。
实验开始,T形架在续线PP'处,当大球靠近小球后,小球在引力的吸引下会慢慢靠近,此时T形架就转过α角达到平衡状态,出现扭角。
这一实验非常巧妙,T形架横杆长1.8米,会形成较大的转动转动力臂,利用万有引力力矩将万有引力作用效果放大。
而悬丝的扭转十分灵敏,或者说悬丝扭转产生的力矩同样很小,可以在实验条件下与引力力矩达到平衡,将微小的万有引力力矩通过悬丝的扭转角反映出来。
再利用固定在T形架竖直部分的平面镜M,反射光源发出的光线至光屏刻度尺,此时反射光线转过的角度为2α,可以将悬丝扭转角α放大一倍。
利用反射光点的移动的距离(公式:s = L ⋅ tan 2α),适当增加光屏刻度尺至 T形架竖直部分平面镜M的距离L,可以增大反射光点移动距离 s,使得实验中反射光点移动距离 s 能精确到10的负三次方数量级。
正是通过这一实验,他计算出了万有引力常量(与国际通用数值相差不到1%),这一数值在今后89年都无人超越其精度。
最后,他根据实验将地球“称重”得出质量约为60万亿亿吨。
他终于实现了“称”地球的愿望,实现这一愿望时他已经是一个白发苍苍的老人,这一实验耗费了他近50年心血。
1798年,他也正式向世界宣告,地球的质量被他“称”出来了。
卡文迪许,让我们看到了不可能也会变成可能。人类有各种各样的奇思妙想,古时候我们梦想着嫦娥奔月,如今已照进现实;曾经,我们妄想能够称出地球的质量,最后也成为了现实。
只要敢想,就有可能够变成现实!
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