龍炎輝
超凡入聖№

[育兒] 你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

-->

至親愛的小讀者大讀者:

曆史上有很多著名的科學實驗,這些實驗是美麗的,用簡單的概念,揭示了自然最普遍的規律,解答了人們長久的困惑。科寶給大家整理了這些小知識,在科學匠上連載,配合一些圖片資料,晚餐前後,爸爸媽媽們可以和孩子一起學習科學知識,讓科寶陪大家度過美好的科學親子時光吧!1

還記得曹沖稱象的故事嗎?

據說三國時期,吳國的孫權給曹操送去一頭大象,曹操十分高興,帶領著文武百官和小兒子曹沖一同觀看。

大象又高又大,腿和柱子一樣粗,比他們平時騎的馬可大多了。曹操想知道這頭大象有多重,就問大臣們有誰能想個辦法稱出大象的重量。大臣們叽叽喳喳誰也沒想出什麽辦法來,這時候五歲的曹沖說:“父親,我有個辦法可以稱大象的重量。”

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

曹沖叫人把大象趕到一只大船上,等大船停穩了在水面達到的地方記上記號;再讓船裝上同樣多的石頭,稱出石頭的重量,就等于大象的重量了。

“曹沖稱象”這個故事中,聰明的曹沖用許多石頭代替大象,在船舷上刻劃記號,讓大象與石頭産生等量的效果,再一塊塊地稱出石頭的重量,使“大”轉化爲“小”,分而治之,這一難題就得到圓滿的解決

我們從曹沖稱象的故事中得到了一些啓發,看看能不能也想一個辦法稱出地球的質量呢?

我們可以先設一個小目標,先稱出地球的重量,然後稱太陽、稱銀河系……

可是地球那麽大,用普通的稱來稱地球的重量,那是不可思議的,我們不可能造出一把這麽大的稱;

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

即便造出來了也沒人能稱得動;

即便有人稱得動,這個人又要站在哪裏稱呢?

2

我們試試看能不能另辟蹊徑找到一種方法來“稱”地球!

我們知道,牛頓被蘋果砸中後思考引力問題,然後提出了萬有引力定律。

牛頓想,爲什麽物體會往地上掉,而不是往其他方向掉,可能是因爲地球吸引了它。爲什麽月球繞著地球轉,地球又繞著太陽轉,是不是也有一種力吸引了它呢?

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

牛頓想啊想,根據當時已經有的一些科學基礎,比如開普勒行星運動三定律,推導出了萬有引力定律的公式:兩個物體之間的引力的大小,等于這兩個物體質量的乘積除以他們之間的距離的平方,最後乘以一個引力常數G。

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

牛頓提出萬有引力定律,當時震驚了許多人,誰能想到果園裏的一只蘋果落到地上,竟然和天上的行星運轉、海水的潮汐現象是一個道理!牛頓簡直是揭開了上帝創造世界並使之運轉的規律!

當時英國的著名詩人亞麗莎大·波普曾經寫過一首贊美牛頓的詩:

自然和自然的規律

隱藏在黑暗中

上帝說:

讓牛頓去吧!

于是,一切成爲光明

牛頓是偉大的!但是牛頓並沒有解決所有的問題,比如在萬有引力這個公式中,牛頓並沒說這個引力常數G到底是多少,因此並不能用這個公式計算出兩個物體的引力。

但是我们知道地球对我们的引力有多大,这个力大约是每千克质量受到10牛顿的引力,而且我们也已经知道从地面到地心的距离。这就相当于万有引力公式中我们知道了等号左边的力F,右边的一个物体质量m和距离r,只要知道这个引力常數G,就能计算出地球的质量M了。

曹沖稱象把稱大象換成了稱石頭,現在我們稱地球的小目標,也就变成了求牛顿万有引力公式中的引力常數G的值。嗯我的似乎找到了一条称地球的途径,下一步我们来看看这个方法是不是可行的。

解釋一下,引力常數G是一个非常小的值,虽然万有引力告诉我们,质量越大的物体引力越大,但是貌似胖子的吸引力也就那样。。。

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

受到了一萬點傷害的胖子

有一個我們司空見慣的現象,可以用來說明萬有引力的微弱:一根鐵針放在桌子,我們拿一塊磁鐵在上面吸,針很容易就被吸到磁鐵上。我們會覺得這很平常啊,要是針不被吸到磁鐵上才奇怪呢,但是我們再想想:磁鐵把鐵針往上吸,而下面可是有一個60萬億億噸重的地球在往下吸鐵針,但是最後只有幾十克的磁鐵把地球打敗了。可見相比起電磁力,萬有引力是多麽微弱啊。

呃…小編剛剛貌似泄題了。。。

不許看答案,都不許看答案!我們繼續想辦法稱地球。

前面我們要說到了,如果能知道兩個1千克的小球,在相距1米的地方能産生多大的引力,這個數值就是萬有引力常數的值了。可現在問題就在于,兩個1千克的小球引力實在太微弱了,根本測不出啊啊啊。。。

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

3

但是有的人偏生就喜歡做一點有挑戰性的事情,偏生還頭腦特別發達,偏生還就挑戰成功了~

于是我們今天的主角卡文迪許閃亮登場了,他就是那個“稱”地球的人!此人姓卡文迪許,名亨利,1731年出生在英國的一個貴族家庭。據說卡文迪許從祖上繼承了大筆遺産,“咱不差錢”,還被稱爲“最博學的富豪”。

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

亨利·卡文迪許1731-1810

卡文迪許是一個“科學怪人”,他性格內向腼腆,不喜歡交際,不善于言談,而且終身未婚。卡文迪許爲了搞科學研究,還把客廳改成了他的實驗室,臥室裏也經常放一些望遠鏡之類的觀察儀器,以便隨時觀察天象。

他研究科學純粹是爲了個人愛好,很少發表他的研究成果,直到麥克斯韋整理出版了他的手稿,人們才知道他在科學方面的許多成就。給地球“稱重”實驗,便是是其中之一,這個實驗叫扭稱實驗,排名“十大最美物理學實驗”第六

既然万有引力这么弱,那么要测出引力常數G的值,就要放大引力现象,讓本來不易被觀察到的引力現象變成易于觀察的現象

嗯,對的,就是這樣子。卡文迪許想,然後著手設計實驗。

這個偏生頭腦發達、還偏生有錢的科學怪人做了一把扭稱:

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

卡文迪許用兩個質量一樣的鉛球分別放在扭稱兩端,中間用一根韌性很好的鋼絲系在支架上,鋼絲上有個小鏡子。用一束光線照到鏡子上,然後鏡子把光線反射到的很遠很遠的一塊尺子上。他記錄下這時候光線在尺子上位置。

然後用兩個質量一樣的鉛球分別放在扭稱兩端,吸引扭稱上的兩個鉛球。這時候扭稱旋轉了很小的一個角度,人的肉眼看不到,但是扭稱的鏡子反射光線的角度改變了呀,遠處尺子上的光線發生了偏移。

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

噔噔噔~卡文迪許巧妙地將微弱的引力放大稱可以觀察到的光線角度偏移,并且成功计算出万有引力公式中引力常數G的值,G=6.7×10-11。

負11次方诶,真的很小很小。

現在有了G的值,將萬有引力公式中的其他變量輸入,就可以算出了地球的重量是60萬億億噸;同樣的方法,還能還稱出了太陽的重量,稱出太陽系裏所有行星的重量。

你以爲曹沖稱象很牛?這個人卻稱出了地球的重量!

看吧,先定一個能達到的小目標是多麽重要。

很神奇有木有,實驗室裏這樣一把特殊的“稱”,居然能稱出一個星球這麽龐然大物的“體重!”,憑借著少量已知的事實,推導出世界運轉的規律,這大概也是科學的魅力之一吧。

今天英國劍橋大學的物理系叫卡文迪許實驗室,由麥克斯韋于1871年創立,就是爲了紀念卡文迪許在科學上做出的貢獻。


#1樓
請幫忙分享到: | Twitter | Google+ | 微博 | 更多… 發帖時間:2016-09-13 23:32:44   |   回複數:2
911degrees
一代宗師
非常感謝,謝謝分享
8月前 #2樓
hometree
武林高手
這是真正的好文啊,鼓勵鼓勵!
8月前 #3樓
遊客組