[原创]卡文迪许实验的改进

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复杂环境下的卡文迪许实验—(初稿)

作者 何忠林

我们知道,通过著名的卡文迪许实验,可以测定万有引力常数G.实验设计如图a,

图a

装置主体是一个扭秤,由一根石英纤维悬挂一根载有等质量m的两个小球的杆组成,每个小球距石英纤维的距离L相等.用固定的激光源照射石英丝下倒T形杆上的小平面镜,激光反射在观察屏上.当石英悬丝有少许转动角T时,就在观察屏上划过较大长度S,S与转角T成正比.一个小的可测量的扭矩P加在这个系统上时,石英丝上可以引起扭转,利用这个扭转值可以标定扭秤,假定石英丝偏转角度为T,则P=K*T=J*S,(1),K,J为待定常数,根据T,S,P大小可以确定K,J.而P =F*L,(2).如果质量为M的两个物体分别位于与两个小球的等水平距离r很小的位置上,我们可以观测到石英丝的旋转角度T或光斑移动距离S,分别测量m与M以及m与M的距离r,然后求施加在杆的端点的水平方向上的力F,由此确立加在石英丝的力矩,从而求得万有引力的大小.再根据上面所说到的,由石英丝旋转大小而取得的扭秤的标定,根据方程J*S=K*T=G*M*m/r ^2,(3),J为系统决定的常数,由K,L,m以及石英丝等决定.方程(3)中除了G以外,所有量都是已知的,于是可从方程(3)直接决定G,其值为G=6.67×10^(-11) N•m2 /kg2。(A^B 表示A的B次方).

以上就是一般测量万有引力常数的卡文迪许实验.我们应当注意到以下两个方面

A.实验的周围环境:1,各物体均是相对实验室静止的;2.周围电磁场以及其它场被默认场强很弱而且是不变的;3.我们处于地球这个非惯性参照系中;

B.对于万有引力,目前的观点有:1.万有引力是不可屏蔽的;2.万有引力是通过引力子传输的;3.万有引力是纵波;4.万有引力的传递与光在真空的直线传播相似;5.还有认为万有引力实质上是一种时空扭曲,并不是一种真实的力;6.也有认为万有引力是电场力作用的结果.

遗憾的是,这些对万有引力的解释,缺乏简洁有力的实验证据.我们有这些疑问:1.万有引力依据什么媒介传输?2.当物体高速运动时,是否会影响引力的传输?3.当周围电磁环境剧烈变化时,是否影响引力传输?4.是否我们的电磁场强度不够高,也会影响引力的传输?希望下面对卡文迪许实验的改进设想,能够抛砖引玉,对解决2.3.4三个问题有所帮助.

实验装置:

1.球形屏蔽壳,整个实验装置置于一个大的球形壳体内,壳体是多层结构,从外到内,依次构成材料是铝壳,混凝土层,钢壳,铜壳,铅壳,壳体上可以留一个石英观察窗;如果在太空中做这个实验,则可以免去屏蔽壳或只考虑屏蔽宇宙射线;

2.在石英内壳里沿直径用石英丝悬挂一个刚性高密度非金属球m,金属球表面对着石英丝的那边安装几块小平面镜,镜面与悬丝平行,底座平面平分球体m和M;

3.m周围是一个高强度轻质矩形非金属框滑轨,滑轨上的一端安装一个刚性高密度非金属球M,M可以在滑轨上平动,M与m的距离r可以精确测量,整个滑轨可以以静止时的悬丝为轴在水平面高速旋转;

4.在m与M之间是另一个以静止悬丝为轴可高速旋转的圆盘或球壳N,N上是高强度电场或磁场发生器,电磁场方向强度可以调节,可以考虑用超导装置来产生超强电磁场,N用球壳的目的是产生径向的电磁场;

5.底座周围是一个石英球壳,球壳上安装上激光光源照射平面镜,再在球壳上环圆周打毛并刻上均匀的刻度或安装光电接收屏,再驳接放大器和电脑,通过编程用电脑来分析.

实验方法:1.在M静止,电磁场关闭时记下光斑位置;2.M高速转动,再记下光斑位置;3.M复位,开启电磁场,改变电磁场的强度,方向, N用球壳或圆盘装置对比实验,分别记下光斑位置;4.让N绕m高速旋转,改变转速,电磁场强度方向,再对比.

2008年8月3日

本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

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