地球质量

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地球的质量约为5.965×10²⁴kg,这是根据万有引力定律测定的。时时乐8月活动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约为5.52g/㎝³。
时时乐8月活动同时,地球质量也是测量行星质量的单位,符号为“M⊕”。
中文名
地球质量
外文名
Earth's mass
地球的质量
约5.965×10^24kg
原    理
万有引力定律
平均密度
时时乐8月活动约5.52克/立方厘米。
符    号
M⊕

地球质量历史

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大家公认的地球质量为5.965×10^24kg
【英国《观察家报》报道】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,地球的质量约为5.965×10^24kg,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时时乐8月活动,被人们誉为“第一个称地球的人”。

地球质量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。他在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,最著名的一个就是“称出地球质量”。当时经过测量和计算已经知道地球的半径约为6400千米;地球的表面积通过测量和计算,已经知道大约是5 .1×10¹⁴平方米;地球的体积通过计算也知道约为1 .08×10²¹立方米,都是极其巨大的数字。所以,人们都非常想知道: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)。
可是这种物理学密度公式计算的方法无法计算出地球实体的质量数值。因为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。所以有人断言:“人类永远不会知道地球的质量!”

地球质量“万有引力定律”带来的希望

首先向这句话挑战的,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,已经成为大家测出地球质量最后希望的牛顿,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。

地球质量微小引力被“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,只是太小太小了,导致肉眼根本观察不出来。能不能把微小的扭转加以放大呢?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。

地球质量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?是约5.965×10^24kg,就是大约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约为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,卡文迪许在英国伦敦逝世,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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