Эксперимент Генри Кавендиша

 

Установление Ньютоном <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD,_%D0%98%D1%81%D0%B0%D0%B0%D0%BA>закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0>. Его значение определяется, прежде всего, универсальностью гравитационного взаимодействия. На законе всемирного тяготения основывается один из центральных разделов астрономии - небесная механика. Мы ощущаем силу притяжения к Земле, однако притяжение малых тел друг к другу неощутимо. Требовалось экспериментально доказать справедливость закона всемирного тяготения и для обычных тел. Именно это и сделал Г.Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.

 

 

где m₁ и m₂ - массы материальных точек, R - расстояние между ними, a F - сила взаимодействия между ними. До начала XIX века G в закон всемирного тяготения не вводилось, так как для всех расчетов в небесной механике достаточно использовать постоянные GM, имеющие кинематическую размерность. Постоянная G появилась впервые, по-видимому, только после унификации единиц и перехода к единой метрической системе мер в конце XVIII века. Численное значение G можно вычислить через среднюю плотность Земли, которую нужно было определить экспериментально. Очевидно, что при известных значениях плотности ρ и радиуса R Земли, а также ускорения свободного падения g на её поверхности можно найти G:

 

 

Первоначально эксперимент был предложен Джоном Мичеллом <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BB,_%D0%94%D0%B6%D0%BE%D0%BD>. Именно он сконструировал главную деталь в экспериментальной установке - крутильные весы, однако умер в 1793 <http://ru.wikipedia.org/wiki/1793> так и не поставив опыта. После его смерти экспериментальная установка перешла к Генри Кавендишу <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BD%D1%80%D0%B8_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88>. Кавендиш модифицировал установку, провёл опыты и описал их в Philosophical Transactions в 1798.

Установка

Крутильные весы

 

Установка представляет собой деревянное коромысло с прикреплёнными к его концам небольшими свинцовыми шарами. Оно подвешено на нити из посеребрённой меди длиной 1 м. К шарам подносят шары большего размера массой 159 кг, сделанные также из свинца. В результате действия гравитационных сил коромысло закручивается на некий угол. Жёсткость нити была такой, что коромысло делало одно колебание за 15 минут. Угол поворота коромысла определялся с помощью луча света, пущенного на зеркальце на коромысле, и отражённого в микроскоп. Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, можно вычислить гравитационную постоянную <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F>.

Для предотвращения конвекционных потоков установка была заключена в ветрозащитную камеру. Угол отклонения измерялся при помощи телескопа.

Списав закручивание нити на магнитное взаимодейстивие железного стержня и свинцовых шаров, Кавендиш заменил его медным, получив те же результаты.

Вычисленное значение

В «Британнике» <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0> утверждается, что Г. Кавендиш получил значение G=6,754·10^-11 м³/(кг·с³) ^{[1] <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88%D0%B0>}. Это же утверждают Е. P. Коэн, К. Кроув и Дж. Дюмонд ^{[2] <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88%D0%B0>} и А. Кук. ^{[3] <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88%D0%B0>}.

Л. Купер в своём двухтомном учебнике физики приводит другое значение: G=6.71·10^-11м³/(кг·с³) ^{[4] <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88%D0%B0>}.

О.П. Спиридонов - третье: G=(6.6 ± 0.04)·10^-11м³/(кг·с³) ^{[5] <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88%D0%B0>}.

Однако в классической работе Кавендиша не было приведено никакого значения G. Он рассчитал лишь значение средней плотности Земли: 5.48 плотностей воды <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%B0>^{[6] <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88%D0%B0>} (современное значение 5,52 г/см³). Вывод Кавендиша о том, что средняя плотность планеты 5,48 г/см³ больше поверхностной ~2 г/см³, подтвердил, что в глубинах сосредоточены тяжёлые вещества.

Гравитационная постоянная была введена, по-видимому, впервые только С. Д. Пуассоном <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%83%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%BE%D0%BD,_%D0%A1%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BE%D0%BD_%D0%94%D0%B5%D0%BD%D0%B8> в «Трактате по механике» (1811) ^{[7] <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%88%D0%B0>}. Значение G было вычислено позже другими учеными из данных опыта Кавендиша. Кто впервые рассчитал численное значение G, историкам неизвестно.

Заключение

 

Наша земля имеет радиус приблизительно 6400 км, люди живут лишь на поверхности этого шара, вся наша деятельность распространяется лишь на 10 километров вглубь и на 20 километров в высоту, в этой тонкой оболочке заключены все наши науки, это соизмеримо с кожурой яблока, физика же изучает всю нашу необъятную вселенную, начиная от фантастически малых частиц заканчивая гигантскими звездами на краю вселенной.

На протяжении всего существования человечества люди пытались понять окружающий их мир. Природное любопытство, жажда познаний и стремление облегчить себе жизнь заставляли людей изучать законы мироздания. С древних времен люди копили и передавали свои знания об устройстве мира, а когда их стало достаточное количесто-образовалась наука, которую мы сейчас называем физика.

Именно физики двигают прогресс, именно благодаря этой науке вы используете сложнейшие аппараты, живете в домах, где есть газ, телефон, свет, водоснабжение и канализация (да все мы прекрасно помним о российских реалиях, но ведь все это скорее есть чем нет). Эта наука дала человеку комфорт и безопасность, покорила силы стихий и открыла новые горизонты для завоеваний. Практически во всем, что нас окружает, есть заслуга физики.

За всю историю человечества в физике накопилось огромное количество фактов. У человека, начинающего знакомиться с физикой, неизбежно возникает серьезный вопрос: неужели для того, чтобы понять устройство Вселенной и законы, по которым она существует, нужно узнать и запомнить все накопленные до сих пор физические факты?! Конечно, нет. Это невозможно. Фактов слишком много. Неизмеримо больше, чем могло бы уместиться не только в человеческом мозгу, но даже на магнитном диске самого современного суперкомпьютера. Совершенно невозможно запомнить или даже просто записать куда-нибудь такое количество цифр. К счастью, это и не нужно. В том и заключается невыразимо гармоничная красота нашего мира, что бесконечное многообразие фактов вытекает из очень небольшого количества базовых принципов. Поняв эти принципы, можно не только понять, но и предсказать громадное множество физических фактов. Например, система уравнений электродинамики, предложенная 150 лет назад Дж. Максвеллом, включает в себя всего четыре уравнения, занимающих от силы 1/10 страницы учебника. Но из этих уравнений можно вывести всю кажущуюся на первый взгляд необъятной совокупность явлений, связанных с электромагнетизмом.

В принципе современная физика как раз и ставит себе целью построить единую теорию, которая включала бы в себя всего несколько уравнений (в идеале - одно), описывающих все известные и правильно предсказывающих новые физические факты, но для этого необходимо знать историю развития физики, иметь четкую структуру всех ее открытий.

В данной курсовой работе я рассмотрел этап зарождения физики, историю ее развития. История физики хранит немало событий и фактов, оказавших большое влияние на ход развития этой древней науки и составивших золотой фонд ее памяти.