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扭秤實驗測量出了什么扭秤實驗

2023-08-26 10:06:08 來源：城市網(wǎng)

1、假說的提出這是一個“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驗：他的兩只手中，拿著兩個不同重量的鐵球，一個十磅重，一個一磅重，兩個鐵球同時脫手，而且同時著地。

3、這個實驗結(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，真空中兩個不同重量的鐵球，從相同的高度同時下落，一定會同時著地的。

6、但是兩個不同材料構(gòu)成的物體，比如一根羽毛和一個鐵球，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下落，一定也會同時著地的。

10、由于實驗條件的局限，伽利略沒能在有生之年完成這個實驗。

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下落，果然是同時著地的。

13、本來，這個懸案應(yīng)該到此為止了。

14、可是進入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驗中發(fā)現(xiàn)，不同重量、不同材料的物體，從相同的高度同時下落，并不是完全同時著地的，而是存在微小的時間差距。

16、但是富佛斯的發(fā)現(xiàn)并沒有引起當(dāng)時物理界的關(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驗，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，因為大量實驗的結(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，還處在初級階段。

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

29、在現(xiàn)實生活中，雞毛和鐵塊，哪個落得快，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：雞毛和鐵塊將同時落到底部。

33、至此，不同重量的兩個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·富佛斯等在一次實驗中發(fā)現(xiàn)：不同重量物體的下落時間略有不同。

35、可當(dāng)時這一發(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驗重新進行分析，他們發(fā)現(xiàn)：雞毛和鐵塊的下落速度確實不同，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)自己的實驗及1891年以來有相當(dāng)可靠程度的七組實驗結(jié)果認(rèn)為，在實驗室尺度上，牛頓的引力平方反比定律和實驗相比有一系統(tǒng)的偏差。

38、這個偏差，可以表示為引力常數(shù)隨距離的變化。

39、以后，對大量地球物理實驗結(jié)果的分析證實了它的存在，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)量等價實驗。

43、我們知道，質(zhì)量有兩個定義，一個反映慣性的大小，叫慣性質(zhì)量，以符號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、另一個反映引力的大小，叫引力質(zhì)量，以符號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動，應(yīng)有這兩個定義不同的質(zhì)量，是否有一定的比例關(guān)系。

46、通過實驗證明，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驗，可得：其次，牛頓提出三大運動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，進行比較它們的擺動周期的實驗，亦可得：但是，從實驗方法來說，不論是自由落體實驗，還是單擺實驗，測量精度都不高。

49、因為這兩種實驗都是動態(tài)的，涉及位置和狀態(tài)的變化，還會受其它因素，例如，空氣阻力的干擾。

50、于是，匈牙利的厄缶設(shè)計了更為精確的質(zhì)量等價實驗。

51、他采用扭秤方法，把動態(tài)實驗改為靜態(tài)實驗，直接比較兩個物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量，從而大大地提高了實驗精度。

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，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，實驗精度達(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驗誤差，有可能是真實效應(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，過去把它歸咎于實驗中偶然出現(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，正是因為對物體起作用的不僅是重力，另外還有一個較小的排斥力，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、在強度上它次于強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相互作用和弱相互作用。

71、強相互作用是使核子結(jié)合成原子核的作用。

72、在強度上它是四種基本相互作用中最強的一種。

73、它不像萬有引力和電磁力那樣是長程力而是短程力。