地球質量

地球質量

地球的質量為5.98*10^24kg,這是根據萬有引力定律測定的。地球質量的確定提供了測定其他天體質量的依據。從地球的質量可得出地球的平均密度為5.52克/立方釐米。

  • 中文名稱
    地球質量
  • 外文名稱
    Earth's mass
  • 質量
    5.98*10^24kg
  • 平均密度
    5.52克/立方釐米

簡介

目前公認的地球質量為5.98×10^24 kg

英國《觀察家報》4月29日報道】新的計算結果表明,地球的質量比原 地球先認為的要輕得多。這個計算結果大大出乎物理學家們的預料。

經過歷時4年、耗資數十萬美元的計算,華盛頓大學的物理學家默科維茨博士和貢德拉克教授說,地球的質量為5 972 000 000 000 000億千克(地球的質量原約為5 976 000 000 000 000億千克———本報註)。這個計算結果將在4月30日由美國物理協會宣布。

這兩位物理學家說,他們對影響每個星球的引力常數得出了迄今最精確的計算結果。盡管人們早已知道光速音速,但是科學界一直未能解決引力常數。知道引力常數就能計算出星球的質量。

對于天文學家和物理學家們來說,這一突破具有極其重大的意義。英國伯明翰大學物理學家斯皮克博士說,這一計算結果“大大出乎科學家們的預料”。

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地球稱量

我們人類居住的地球,是個非常巨大的球體。第一個測量出地球質量的人是誰?他就是英國科學家亨利·卡文迪許(1731一1810)。1798年,他通過巧妙實驗,間接測量出地球巨大的質量數值,被人們譽為“第一個稱地球的人”。

難題

1731年10月10日,亨利·卡文迪許誕生于英國的一個貴族家庭中,這個家族地位非常顯赫,家財豪富。但是他從小卻十分喜愛讀書,富于幻想,求知欲強。青少年時期打下的牢固基礎,對他一生中在科學上取得的成就有很大的作用。

卡文迪許生活的年代,正是自然科學飛速發展的時期,同時也面臨著許多“難題”。其中“稱出地球質量”,就是最著名的一個。當時地球的半徑經過測量和計算已經知道約6400千米;地球的表面積通過測量和計算,已經知道是5.1×1014m²;地球的體積通過計算也知道為1.08×1021m³,都是極其巨大的數位。那麽,人們非常想知道:地球的質量是多少呢?

當時很多科學家都嘗試找到“稱地球”的方法。有人提出使用計算方法:現在,地球體積已經知道了,再設法求出它的平均密度,然後利用質量=密度*體積的公式,就可以求出地球質量。這種利用物理學密度公式計算的方法,有一些道理。後來地球大氣的質量,就是利用此法測量計算的。大氣的密度隨高度下降,大氣質量的90%集中在離地表15千米高度以內,經過仔細測量計算,可以知道:地球大氣的質量約為5.3×10²¹克(約佔地球總質量的百萬分之一)。

可是這種利用物理學密度公式計算的方法,卻無法計算出地球實體的質量數值。原來地球的物理結構非常復雜,構成地球各部分的密度不同、差別很大,況且地球中心的密度根本無法知道。所以有“權威”斷言:人類永遠不會知道地球的質量!

希望

首先向權威挑戰的,是年輕的科學家牛頓。1687年他發現了萬有引力定律:“任何兩個物體都是互相吸引的,引力大小與這兩個物體質量的乘積成正比,與它們中心距離的平方成反比。”牛頓高興地發現,利用這個萬有引力定律公式可以求出地球質量來!你看:公式中M表示地球的質量數值,m表示地面一個已知物體的質量數值,r表示它們中心的距離(就是地球半徑的數值)萬有引力f的大小就是物體m受到的重力數值。這樣可以計算出地球質量M的數值啊!

但是細心的讀者發現,利用這個“萬有引力定律”公式還有一個條件:必須得到“萬有引力系數”G的數值。也就是說,必須在地面直接測量出兩個物體之間的引力數值。

牛頓精心設計了幾個實驗,企圖在地面測量兩個物體之間的引力,可惜都失敗了,經過粗略推算,牛頓發現一般物體之間的引力極其微小,以至根本測不出來。失望之餘,已經成為新權威的牛頓,也當眾宣布:在地面想利用測量引力,利用這個萬有引力定律來計算地球質量的努力,將是徒勞的!

1750年,法國科學家布格爾興師動眾到南美洲的厄瓜多,登上陡峭的琴玻拉錯山頂,沿著懸崖吊下一根鉛垂線。他想:鉛球的質量已知,山體的質量可以計算出來,隻要測量出鉛球因為受到山體的吸引偏離的角度,就可以得知山體和鉛球之間的引力大小,進一步再推算出地球的質量。“鉛垂線法”的實驗原理是對的,可惜多次都失敗了。因為山風和各種振動的影響,遠遠超過山體和鉛球之間的微小引力,實驗沒有取得任何有意義的資料。

1774年,英國科學家尼維爾·馬斯基林又在柏斯郡的一座陡峭懸崖上,利用“鉛垂線法”精心測量,採取一些避風和防振動的措施,但是,“鉛垂線法”的結果還是失敗了。

微小引力

“稱地球”這一科學難題,強烈吸引著年輕的卡文迪許。卡文迪許22歲畢業于劍橋大學,從此走上研究科學的道路。他第一個發現了氫元素;通過氫和氧的火花放電得到水;通過氧和氮的火花放電得到硝酸……被人們譽為“一台最有效的機器”,29歲加入英國皇家學會,成為有影響的科學家。但是卡文迪許卻念念不忘這個著名的科學“難題”:稱地球!

在前人研究成果的基礎上,卡文迪許開始了新的攀登。他做了哪些艱苦的努力呢?

“工欲善其事,必先利其器”。1750年,年僅19歲的卡文迪許聽到一個訊息:劍橋大學的約翰·米歇爾在研究磁力時,使用一種新的測力方法:用一根細繩將細長的磁針從中間吊起來,利用細繩的扭轉程度表示力的大小。卡文迪許專程前往求教,仔細觀察、認真學習了這套裝置。

卡文迪許利用米歇爾的裝置,設計出測量微小引力的新方法,將兩隻小鉛球裝在一根細長桿的兩端,做成一個“啞鈴”樣的東西,用一根細絲從中間吊起“啞鈴”,實驗時再用兩個大鉛球分別去靠近小鉛球。由于大小鉛球之間萬有引力的作用,“啞鈴”將有微小的轉動,仔細測量細絲扭轉的程度,就可以計算出大小鉛球之間的引力,從而推算出地球的質量。但他多次實驗卻不能成功。為什麽呢?現在我們知道:兩個1千克的鉛球,相距10釐米時,吸引力隻有十億分之一千克!要測量出這麽極其微小的力,談何容易!

卡文迪許陷入了長期苦悶之中,他想:實驗時細絲肯定發生了扭轉,隻是太小太小,肉眼觀察不出來。能不能把微小的扭轉加以放大呢?可是用什麽辦法呢?卡文迪許冥思苦想。有一天,他去皇家學會活動,路上看見幾個小孩正在做遊戲:用手中的小鏡反射太陽光,互相照著玩,小鏡隻要稍一轉動,遠處光點的位置就發生很大的變化。卡文迪許的腦海中迸發出一個明亮的火花:“小鏡!光點!小鏡!光點!”他叫出了聲!

卡文迪許馬上跑回實驗室,動手修改儀器裝置,他將一個小鏡固定在細絲上面,用來將一束光線反射到一個刻度尺上面。這樣,隻要細絲有一極其微小的轉動,刻度尺上的光點就會有明顯的移動,儀器的靈敏度大大地增強了。卡文迪許又進一步設法解決了儀器的各種幹擾問題,例如空氣流動和震動的影響。這套經過改進可以測量微小力的儀器,定名為“扭秤”,現在仍然在精密實驗中發揮著作用。

稱出地球質量

卡文迪許利用“扭秤”終于稱出地球的質量,1798年,他公布了地球巨大的質量數值,這時他已經白發蒼蒼,67歲高齡了。地球質量多大呢?是5.977×10^24千克,就是60萬億億噸。

地球質量已知,地球的平均密度就可求出來:現代測定的地球平均密度為5 .517克/立方釐米;而地球表層密度僅為2 .5-3克/立方釐米,這樣我們就可以推算出地球中心的密度達7-8克/立方釐米,遠比地球表層為大,可能由鐵、鎳等重物質組成。

不久,利用同樣的方法,測量出太陽更加巨大的質量,是地球質量的30萬倍,為2×10^30千克。接著太陽系其他行星的質量也陸續被測量出來。萬有引力定律不斷得到了物理實驗的驗證,萬有引力系數G的數值也越來越精確地被測量出來,成為重要的物理參數之一,在現代航天航空技術中有極其重要的作用。卡文迪許的“扭秤”實驗成果有力地推動了科學技術的發展。

1810年3月10日,卡文迪許在倫敦逝世,終身未婚。他和他設計的“扭秤”一同載入科技史冊,被人們譽為“第一個稱地球的人”!人們為紀念這位大科學家,特意為他樹立了紀念碑。劍橋大學還把卡文迪許工作過的實驗室命名為卡文迪許實驗室,這個實驗室造就了不少有名望的物理學家。卡文迪許可算是一位活到老、幹到老的學者,直到79歲高齡、逝世前夜還在做實驗。他一生獲得過不少外號,有“科學怪人”“科學巨擎”“最富有的學者、最博學的富豪”等。他那勤于學習,善于思考,勇于探索的精神永遠值得我們學習!

稱量地球的人

卡文迪許測量地球的密度是從求牛頓的萬有引力定律中的常數著手,再推算出地球密度。他的指導思想極其簡單,用兩個大鉛球使它們接近兩個小球。從懸掛小球的金屬絲的扭轉角度,測出這些球之間的相互引力。根據萬有引力定律,可求出常數G。根據卡文迪許的多次實驗,測算出地球的平均密度是水密度的5.481倍(現在的數值為5.517,誤差為0.65253%左右),並確定了萬有引力常數(他測得的引力常數G是(6.754±0.041)x10^-11 (N·m^2 /kg^2),這個值同現代值(6.6732±0.0031)x10^-11 (N·m^2 /kg^2),相差無幾,計算出了地球的質量。被譽為第一個稱量地球的人。

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