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扭秤實(shí)驗(yàn)測量出了什么扭秤實(shí)驗(yàn)

2023-08-26 10:06:08 來源：城市網(wǎng)

1、假說的提出這是一個(gè)“老掉牙”的故事，想必大家都聽說過。

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、可是問題并沒有就此完結(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)說這也是當(dāng)初亞里士多德理論的來源之一。

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，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”稱為“超負(fù)載力”（也稱為“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，人類所知道的“力”總共可以歸結(jié)為四大類，即萬有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

25、而這種“超負(fù)載力”不能歸于四類中的任何一類，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，人類對這種“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，這是由于地球周圍存在著大氣圈，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)物體究竟誰先落地似乎已明白無誤了。

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，美國的朗格等對富佛斯的實(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)定律和萬有引力定律，也必然碰到兩種質(zhì)量的關(guān)系問題。

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)方法來說，不論是自由落體實(shí)驗(yàn)，還是單擺實(shí)驗(yàn)，測量精度都不高。

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，橫桿兩端對稱地固定著材料不同、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，如何測定懸絲扭轉(zhuǎn)呢？厄缶用望遠(yuǎn)鏡對準(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)方向測量。

57、如此精確系統(tǒng)的測量，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，對于真空的自由落體，輕物下落快、重物下落慢，過去把它歸咎于實(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這一反常現(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ξ矬w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的相互作用以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用。

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、電磁力和萬有引力一樣是宇宙中普遍存在的一種長程力。

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、它不像萬有引力和電磁力那樣是長程力而是短程力。

74、但是它的力程比弱相互作用的力程長，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、沒有它，太陽和許多恒星就會(huì)熄滅，無法產(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，物理學(xué)家們早就懷疑這四種力在宇宙混沌初開的某一階段可能原來是一種作用力，后來隨著宇宙的演化而各自成家了。

83、長期以來，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，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。

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)問題。

89、所以近二十余年來，人們在實(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、探測第五種力的實(shí)驗(yàn)大致可以分成下列三類。

91、第一類實(shí)驗(yàn)是把地球作為引力源，測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、第二類實(shí)驗(yàn)是測量同一引力源（如大崖巖石）對質(zhì)量相同而成分不同的物體的引力作用差別。

94、例如美國布魯海文國家實(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，測其加速度，分析銅與水所受到的作用力大小。

95、第三類實(shí)驗(yàn)測量反物質(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。

相信通過扭秤實(shí)驗(yàn)這篇文章能幫到你，在和好朋友分享的時(shí)候，也歡迎感興趣小伙伴們一起來探討。

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