龙炎辉
超凡入圣№

[育儿] 你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

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至亲爱的小读者大读者:

历史上有很多著名的科学实验,这些实验是美丽的,用简单的概念,揭示了自然最普遍的规律,解答了人们长久的困惑。科宝给大家整理了这些小知识,在科学匠上连载,配合一些图片资料,晚餐前后,爸爸妈妈们可以和孩子一起学习科学知识,让科宝陪大家度过美好的科学亲子时光吧!1

还记得曹冲称象的故事吗?

据说三国时期,吴国的孙权给曹操送去一头大象,曹操十分高兴,带领着文武百官和小儿子曹冲一同观看。

大象又高又大,腿和柱子一样粗,比他们平时骑的马可大多了。曹操想知道这头大象有多重,就问大臣们有谁能想个办法称出大象的重量。大臣们叽叽喳喳谁也没想出什么办法来,这时候五岁的曹冲说:“父亲,我有个办法可以称大象的重量。”

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

曹冲叫人把大象赶到一只大船上,等大船停稳了在水面达到的地方记上记号;再让船装上同样多的石头,称出石头的重量,就等于大象的重量了。

“曹冲称象”这个故事中,聪明的曹冲用许多石头代替大象,在船舷上刻划记号,让大象与石头产生等量的效果,再一块块地称出石头的重量,使“大”转化为“小”,分而治之,这一难题就得到圆满的解决

我们从曹冲称象的故事中得到了一些启发,看看能不能也想一个办法称出地球的质量呢?

我们可以先设一个小目标,先称出地球的重量,然后称太阳、称银河系……

可是地球那么大,用普通的称来称地球的重量,那是不可思议的,我们不可能造出一把这么大的称;

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

即便造出来了也没人能称得动;

即便有人称得动,这个人又要站在哪里称呢?

2

我们试试看能不能另辟蹊径找到一种方法来“称”地球!

我们知道,牛顿被苹果砸中后思考引力问题,然后提出了万有引力定律。

牛顿想,为什么物体会往地上掉,而不是往其他方向掉,可能是因为地球吸引了它。为什么月球绕着地球转,地球又绕着太阳转,是不是也有一种力吸引了它呢?

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

牛顿想啊想,根据当时已经有的一些科学基础,比如开普勒行星运动三定律,推导出了万有引力定律的公式:两个物体之间的引力的大小,等于这两个物体质量的乘积除以他们之间的距离的平方,最后乘以一个引力常数G。

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

牛顿提出万有引力定律,当时震惊了许多人,谁能想到果园里的一只苹果落到地上,竟然和天上的行星运转、海水的潮汐现象是一个道理!牛顿简直是揭开了上帝创造世界并使之运转的规律!

当时英国的著名诗人亚丽莎大·波普曾经写过一首赞美牛顿的诗:

自然和自然的规律

隐藏在黑暗中

上帝说:

让牛顿去吧!

于是,一切成为光明

牛顿是伟大的!但是牛顿并没有解决所有的问题,比如在万有引力这个公式中,牛顿并没说这个引力常数G到底是多少,因此并不能用这个公式计算出两个物体的引力。

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数G,就能计算出地球的质量M了。

曹冲称象把称大象换成了称石头,现在我们称地球的小目标,也就变成了求牛顿万有引力公式中的引力常数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。

解释一下,引力常数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。。。

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

受到了一万点伤害的胖子

有一个我们司空见惯的现象,可以用来说明万有引力的微弱:一根铁针放在桌子,我们拿一块磁铁在上面吸,针很容易就被吸到磁铁上。我们会觉得这很平常啊,要是针不被吸到磁铁上才奇怪呢,但是我们再想想:磁铁把铁针往上吸,而下面可是有一个60万亿亿吨重的地球在往下吸铁针,但是最后只有几十克的磁铁把地球打败了。可见相比起电磁力,万有引力是多么微弱啊。

呃…小编刚刚貌似泄题了。。。

不许看答案,都不许看答案!我们继续想办法称地球。

前面我们要说到了,如果能知道两个1千克的小球,在相距1米的地方能产生多大的引力,这个数值就是万有引力常数的值了。可现在问题就在于,两个1千克的小球引力实在太微弱了,根本测不出啊啊啊。。。

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

3

但是有的人偏生就喜欢做一点有挑战性的事情,偏生还头脑特别发达,偏生还就挑战成功了~

于是我们今天的主角卡文迪许闪亮登场了,他就是那个“称”地球的人!此人姓卡文迪许,名亨利,1731年出生在英国的一个贵族家庭。据说卡文迪许从祖上继承了大笔遗产,“咱不差钱”,还被称为“最博学的富豪”。

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

亨利·卡文迪许1731-1810

卡文迪许是一个“科学怪人”,他性格内向腼腆,不喜欢交际,不善于言谈,而且终身未婚。卡文迪许为了搞科学研究,还把客厅改成了他的实验室,卧室里也经常放一些望远镜之类的观察仪器,以便随时观察天象。

他研究科学纯粹是为了个人爱好,很少发表他的研究成果,直到麦克斯韦整理出版了他的手稿,人们才知道他在科学方面的许多成就。给地球“称重”实验,便是是其中之一,这个实验叫扭称实验,排名“十大最美物理学实验”第六

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变成易于观察的现象

嗯,对的,就是这样子。卡文迪许想,然后着手设计实验。

这个偏生头脑发达、还偏生有钱的科学怪人做了一把扭称:

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

卡文迪许用两个质量一样的铅球分别放在扭称两端,中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上,钢丝上有个小镜子。用一束光线照到镜子上,然后镜子把光线反射到的很远很远的一块尺子上。他记录下这时候光线在尺子上位置。

然后用两个质量一样的铅球分别放在扭称两端,吸引扭称上的两个铅球。这时候扭称旋转了很小的一个角度,人的肉眼看不到,但是扭称的镜子反射光线的角度改变了呀,远处尺子上的光线发生了偏移。

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

噔噔噔~卡文迪许巧妙地将微弱的引力放大称可以观察到的光线角度偏移,并且成功计算出万有引力公式中引力常数G的值,G=6.7×10-11。

负11次方诶,真的很小很小。

现在有了G的值,将万有引力公式中的其他变量输入,就可以算出了地球的重量是60万亿亿吨;同样的方法,还能还称出了太阳的重量,称出太阳系里所有行星的重量。

你以为曹冲称象很牛?这个人却称出了地球的重量!

看吧,先定一个能达到的小目标是多么重要。

很神奇有木有,实验室里这样一把特殊的“称”,居然能称出一个星球这么庞然大物的“体重!”,凭借着少量已知的事实,推导出世界运转的规律,这大概也是科学的魅力之一吧。

今天英国剑桥大学的物理系叫卡文迪许实验室,由麦克斯韦于1871年创立,就是为了纪念卡文迪许在科学上做出的贡献。


#1楼
发帖时间:2016-09-13 23:32:44   |   回复数:2
911degrees
一代宗师
非常感谢,谢谢分享
5月前 #2楼
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武林高手
这是真正的好文啊,鼓励鼓励!
5月前 #3楼
游客组