地球质量

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地球的质量为5.977×10²⁴kg,这是根据万有引力定律测定的。地球质量的确定提供了测定其他天体质量的依据。从地球的质量可得出地球的平均密度为5.52克/立方厘米。
中文名
地球质量
地球的质量
5.98*10^24kg
原    理
万有引力定律
平均密度
5.52克/立方厘米。

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地球质量简介

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公认的地球质量为5.98×10²⁴ kg
【英国《观察家报》报道】有计算结果表明,地球的质量比原
地球 地球
先认为的要轻得多。这个计算结果大大出乎物理学家们的预料。
经过历时4年、耗资数十万美元的计算,华盛顿大学的物理学家默科维茨博士和贡德拉克教授说,地球的质量为5.972×10²⁴kg(地球的质量原约为5.976×10²⁴kg———本报注)。这个计算结果将在4月30日由美国物理协会宣布。
这两位物理学家说,他们对影响每个星球的引力常数得出了迄今最精确的计算结果。尽管人们早已知道光速和音速,但是科学界一直未能解决引力常数。知道引力常数就能计算出星球的质量。
对于天文学家和物理学家们来说,这一突破具有极其重大的意义。英国伯明翰大学物理学家斯皮克博士说,这一计算结果“大大出乎科学家们的预料”。
我们人类居住的地球,是个非常巨大的球体。第一个测量出地球质量的人是谁?他就是英国科学家亨利·卡文迪许(1731一1810)。1798年,他通过巧妙实验,间接测量出地球巨大的质量数值,被人们誉为“第一个称地球的人”。
几乎无法攻克的难题
1731年10月10日,亨利·卡文迪许诞生于英国的一个贵族家庭中,这个家族地位非常显赫,家财豪富。但是他从小却十分喜爱读书,富于幻想,求知欲强。青少年时期打下的牢固基础,对他一生中在科学上取得的成就有很大的作用。
卡文迪许生活的年代,正是自然科学飞速发展的时期,同时也面临着许多“难题”。其中“称出地球质量”,就是最著名的一个。当时地球的半径经过测量和计算已经知道约6400千米;地球的表面积通过测量和计算,已经知道是5 .1×10¹⁴米²;地球的体积通过计算也知道为1 .08×10²¹米³,都是极其巨大的数字。那么,人们非常想知道:地球的质量是多少呢?
当时很多科学家都试图找到“称地球”的方法。有人提出使用计算方法:地球体积已经知道了,再设法求出它的平均密度,然后利用质量=密度*体积的公式,就可以求出地球质量。这种利用物理学密度公式计算的方法,有一些道理。后来地球大气的质量,就是利用此法测量计算的。大气的密度随高度下降,大气质量的90%集中在离地表15千米高度以内,经过仔细测量计算,可以知道:地球大气的质量约为5.3×10²¹克(约占地球总质量的百万分之一)。
可是这种利用物理学密度公式计算的方法,却无法计算出地球实体的质量数值。原来地球的物理结构非常复杂,构成地球各部分的密度不同、差别很大,况且地球中心的密度根本无法知道。所以有“权威”断言:人类永远不会知道地球的质量!
“万有引力定律”带来希望
首先向权威挑战的,是年轻的科学家牛顿。1687年他发现了万有引力定律:“任何两个物体都是互相吸引的,引力大小与这两个物体质量的乘积成正比,与它们中心距离的平方成反比。”牛顿高兴地发现,利用这个万有引力定律公式可以求出地球质量来!你看:公式中M表示地球的质量数值,m表示地面一个已知物体的质量数值,r表示它们中心的距离(就是地球半径的数值)万有引力f的大小就是物体m受到的重力数值。这样可以计算出地球质量M的数值啊!
但是细心的读者发现,利用这个“万有引力定律”公式还有一个条件:必须得到“万有引力系数”G的数值。也就是说,必须在地面直接测量出两个物体之间的引力数值。
牛顿精心设计了几个实验,企图在地面测量两个物体之间的引力,可惜都失败了,经过粗略推算,牛顿发现一般物体之间的引力极其微小,以至根本测不出来。失望之余,已经成为新权威的牛顿,也当众宣布:在地面想利用测量引力,利用这个万有引力定律来计算地球质量的努力,将是徒劳的!
1750年,法国科学家布格尔兴师动众到南美洲的厄瓜多尔,登上陡峭的琴玻拉错山顶,沿着悬崖吊下一根铅垂线。他想:铅球的质量已知,山体的质量可以计算出来,只要测量出铅球因为受到山体的吸引偏离的角度,就可以得知山体和铅球之间的引力大小,进一步再推算出地球的质量。“铅垂线法”的实验原理是对的,可惜多次都失败了。因为山风和各种振动的影响,远远超过山体和铅球之间的微小引力,实验没有取得任何有意义的数据。
1774年,英国科学家尼维尔·马斯基林又在柏斯郡的一座陡峭悬崖上,利用“铅垂线法”精心测量,采取一些避风和防震动的措施,但是,“铅垂线法”的结果还是失败了。
微小引力被“放大”了
“称地球”这一科学难题,强烈吸引着年轻的卡文迪许。卡文迪许22岁毕业于剑桥大学,从此走上研究科学的道路。他第一个发现了氢元素;通过氢和氧的火花放电得到水;通过氧和氮的火花放电得到硝酸……被人们誉为“一台最有效的机器”,29岁加入英国皇家学会,成为有影响的科学家。但是卡文迪许却念念不忘这个著名的科学“难题”:称地球!
在前人研究成果的基础上,卡文迪许开始了新的攀登。他做了哪些艰苦的努力呢?
“工欲善其事,必先利其器”。1750年,年仅19岁的卡文迪许听到一个消息:剑桥大学的约翰·米歇尔在研究磁力时,使用一种新的测力方法:用一根细绳将细长的磁针从中间吊起来,利用细绳的扭转程度表示力的大小。卡文迪许专程前往求教,仔细观察、认真学习了这套装置。
卡文迪许利用米歇尔的装置,设计出测量微小引力的新方法,将两只小铅球装在一根细长杆的两端,做成一个“哑铃”样的东西,用一根细丝从中间吊起“哑铃”,实验时再用两个大铅球分别去靠近小铅球。由于大小铅球之间万有引力的作用,“哑铃”将有微小的转动,仔细测量细丝扭转的程度,就可以计算出大小铅球之间的引力,从而推算出地球的质量。但他多次实验却不能成功。为什么呢?我们知道:两个1千克的铅球,相距10厘米时,吸引力只有十亿分之一千克!要测量出这么极其微小的力,谈何容易!
卡文迪许陷入了长期苦闷之中,他想:实验时细丝肯定发生了扭转,只是太小太小,肉眼观察不出来。能不能把微小的扭转加以放大呢?可是用什么办法呢?卡文迪许冥思苦想。有一天,他去皇家学会活动,路上看见几个小孩正在做游戏:用手中的小镜反射太阳光,互相照着玩,小镜只要稍一转动,远处光点的位置就发生很大的变化。卡文迪许的脑海中迸发出一个明亮的火花:“小镜!光点!小镜!光点!”他叫出了声!
卡文迪许马上跑回实验室,动手修改仪器装置,他将一个小镜固定在细丝上面,用来将一束光线反射到一个刻度尺上面。这样,只要细丝有一极其微小的转动,刻度尺上的光点就会有明显的移动,仪器的灵敏度大大地增强了。卡文迪许又进一步设法解决了仪器的各种干扰问题,例如空气流动和震动的影响。这套经过改进可以测量微小力的仪器,定名为“扭秤”,仍然在精密实验中发挥着作用。
终于称出了地球质量
卡文迪许利用“扭秤”终于称出地球的质量,1798年,他公布了地球巨大的质量数值,这时他已经白发苍苍,67岁高龄了。地球质量多大呢?是5.977×10²⁴千克,就是60万亿亿吨。
地球质量已知,地球的平均密度就可求出来:现代测定的地球平均密度为5 .517克/立方厘米;而地球表层密度仅为2 .5—3克/立方厘米,这样我们就可以推算出地球中心的密度达7-8克/立方厘米,远比地球表层为大,可能由铁、镍等重物质组成。
不久,利用同样的方法,测量出太阳更加巨大的质量,是地球质量的30万倍,为2 ×10³º千克。接着太阳系其他行星的质量也陆续被测量出来。万有引力定律不断得到了物理实验的验证,万有引力系数G的数值也越来越精确地测量出来,成为重要的物理参数之一,在现代航天航空技术中有极其重要的作用。卡文迪许的“扭秤”实验成果有力地推动了科学技术的发展。
1810年3月10日,卡文迪许在伦敦逝世,终身未婚。他和他设计的“扭秤”一同载入科技史册,被人们誉为“第一个称地球的人”!人们为纪念这位大科学家,特意为他树立了纪念碑。剑桥大学还把卡文迪许工作过的实验室命名为卡文迪许实验室,这个实验室造就了不少有名望的物理学家。卡文迪许可算是一位活到老、干到老的学者,直到79岁高龄、逝世前夜还在做实验。他一生获得过不少外号,有“科学怪人”“科学巨擎”“最富有的学者、最博学的富豪”等。他那勤于学习,善于思考,勇于探索的精神永远值得我们学习!

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第一个称量地球的人
卡文迪许测量地球的密度是从求牛顿的万有引力定律中的常数着手,再推算出地球密度。他的指导思想极其简单,用两个大铅球使它们接近两个小球。从悬挂小球的金属丝的扭转角度,测出这些球之间的相互引力。根据万有引力定律,可求出常数G。根据卡文迪许的多次实验,测算出地球的平均密度是水密度的5.481倍(数值为5.517,误差为0.65253%左右),并确定了万有引力常数(他测得的引力常数G是(6.754±0.041)x10﹣¹¹(N·m² /kg²),这个值同现代值(6.6732±0.0031)x10﹣¹¹ (N·m² /kg²),相差无几,计算出了地球的质量。被誉为第一个称量地球的人。
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