怎样给地球称体重
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神童曹冲用石头和大象等量代换,称出了大象的体重。如果被称物体再大一点,甚至有地球那么大呢?那个说给一个支点就能撬起地球的人,假如给你一根足够长的秤杆,赋予你洪荒之力,你要站在哪里称地球呢?有人说了,这不成,没地方站。
那个砸到牛顿的苹果功德无量,引导牛顿发现了万有引力定律,牛顿将它归之为一个公式F=GMm/r2,G是引力常数,F表示引力,M和m表示相互吸引的两个物体的质量,r则表示两者之间的距离。地球引力、距离和被吸引的物体质量都可以通过测量得知,若是能测出引力常数G,就能计算出地球的质量了。
可是,伟大的牛顿对着自己的等式遗憾地摇摇头。因为单位质量间的引力太微弱了,对一根针的吸引力,庞大的地球连一个几十克的磁铁也争不过,由此可以看出地球引力的微弱。
在科学仪器不够发达的时代,微观的测量非常困难,要想测量出引力常数,似乎思路得与曹冲相反才行,一个是化整为零,一个似乎应该是“小题大做”。这个问题在万有引力定律发现后的一百年间,折磨了许多最强大脑,后来终于出现了一个叫卡文迪许·亨利的人,他发明了一个小题大做的方法,即卡文迪许扭秤实验,这个实验排名“十大最美物理学实验”第六位。
卡文迪许的理论根据极为简单:既然万有引力这么弱,那么要测出引力常数G的值,就要放大引力现象,让本来不易被观察到的引力现象易于观察。这位我为科学狂的科学达人做了一把扭秤:扭秤的主要部分是轻而结实的一个T字形框架,把这个T形架倒挂在一根钢丝下,若在T形架的两端施加两个大小相等、方向相反的力,钢丝就会扭转一个角度。力越大,扭转的角度越大。力与距离成正比关系的发现非常重要,它完成了从测力到测距离的思维改变,即可以通过测量角度变化来推算力的大小。
T形架上装有一个小镜子,当光线射向镜子,它的反射光会照到远处的刻度尺上,这样就可以记录位置了。在T形架的两端各固定一个小球,再在每个小球的附近各放一个大球,让它们相互吸引,镜子与T形架一起发生一个极小的、肉眼无法观测到的转动,但经过镜子的反射,射到远处的刻度尺上,光斑就发生了较大的移动。通过光斑移动的距离,可以推算出引力的大小,确定了G的值6.7×10-11。就这样,地球的体重被称出来了。
你看,上帝喜欢捉迷藏,他设置了谜面,谜底藏在不同寻常的地方。既然不同寻常,那一定要靠大开的脑洞才能找到。 (董改正)