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人类是怎样计算出地球质量的？

地球,测量,引力人类是怎样计算出地球质量的？

发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

人类是怎样计算出地球质量的？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50


我们赖以生存的地球是太阳系内侧的第三颗行星，位于宜居带内的它70%的表面被液态水覆盖，强大的磁场和厚密的大气层一起护佑着这颗蓝色星球。

太阳系八大行星中地球质量排名第五，具体为60万亿亿吨，平均半径6371km，表面积5.1亿平方公里，然而相比半径和表面积这些数据，人们对于地球的质量数据疑惑显然更加强烈，那么地球质量究竟是如何得出来的呢？



牛顿于1697年发现了万有引力定律，随后便敏锐的意识到只要知晓重力加速度以及地球半径还有万有引力常量就可以根据万有引力公式可以求出地球质量，前两个数据很容易获得，而万有引力常量的测定却不那么容易。

牛顿最早想到的办法是在一座山的旁边吊一条铅垂线，理想情况下山的质量产生的引力会吸引铅垂线，进而科学家就能测定引力常量，然而实际操作过程中风力将过长的铅垂线不断摇晃，实验一直无法成功。



时光一转来到了18世纪，年轻的卡文迪许根据吸收铅锤线法的弊端之后通过模仿约翰.米歇尔此前测量磁力的方法制造出了“哑铃”状的引力常量测量装置，希望通过细丝的扭转程度来反应出引力常量，然而哑铃状的两个大小铅球之间的引力太过微弱，细丝的扭转远远达不到观测要求。

然而年轻的卡文迪许并没有灰心，而是创造性的将一面镜子加入到了测量装置中，这样一来细丝微弱的扭动就会被镜子灵敏的捕捉到，从而远方刻度尺上的光点也会明显移动。



此后卡文迪许将这种装置命名为“扭秤”，在解决了可能存在的空气流动干扰和地面振动干扰后，1798年，67岁的卡文迪许公布了他测量的地球质量：5.965*10的24次方千克，也就是我们现在说的60万亿亿吨。

在普通人看来无法测量的地球质量，被科学家们用发现总结出公式结合严谨的实验结果测量了出来，此后的科学家还用来相同的办法测量了太阳系其他天体的质量，万有引力常量也在此过程中被不断精确。

回答于 2019-09-11 08:43:50

记得人教版物理课本第一册中出现的咬住自己尾巴的衔尾蛇吗？课本中用这条蟒蛇代表宇宙的尺度，从最小的尺度弦10^-35m到可观测的宇宙范围930亿光年，蛇头和蛇尾的尺度对人类来说都是难以测量的，最接近人体尺度的物体是最容易测量的。

现在测量地球质量有多种方法，而且经度很高，但对于早期人类来说，测量地球质量是比较困难的。

第一个较准确的测量出地球质量的科学家是卡文迪许，一个物理学和化学上的天才，牛顿在1687年在《自然哲学的数学原理》中提到物体中普遍受到地球的引力，且大小它们各自的质量呈正比。

正是牛顿的这部著作给了卡文迪许灵感，按照牛顿的表述物体受到地球的引力可以写为mg=G*M*m/（r^2），地球的质量M=gr^2/G，地球半径那是已经较为准确的测量到了，达文迪许意识到只要知道了这个引力系数就能计算出地球的质量。

卡文迪许设计了一个现在看来都非常巧妙的实验——卡文迪许实验。

如上图的装置，由于引力只有再大吨位的两个物体间才表现的明显，如地球和月亮，之前人们直接测量过两个铅球之间的引力，由于太小了根本无法直接测量到，于是他设计了如上巧妙的装置，在知道扭矩的金属丝上固定一面镜子，金属丝连接的T型架两端固定两个已知质量的金属球m，距离r处放两个更大的金属球M，镜子转变一个小角度，通过光线延长放大就会有一个大角度的偏转。

这样就计算出金属丝的扭矩，从而计算出两个金属球之间的引力，也就计算出引力系数G，这个值被称为引力常量。

凭借此实验，卡文迪许成为较准确测量地球质量的第一人，测量出地球质量大约是6.0*10^24千克，与现在公认值5.965*10^24千克相差无几。

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