至親愛(ài)的小讀者大讀者：

歷史上有很多著名的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)是美麗的，用簡(jiǎn)單的概念，揭示了自然最普遍的規(guī)律，解答了人們長(zhǎng)久的困惑?？茖毥o大家整理了這些小知識(shí)，在科學(xué)匠上連載，配合一些圖片資料，晚餐前后，爸爸媽媽們可以和孩子一起學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，讓科寶陪大家度過(guò)美好的科學(xué)親子時(shí)光吧！

還記得曹沖稱(chēng)象的故事嗎？

據(jù)說(shuō)三國(guó)時(shí)期，吳國(guó)的孫權(quán)給曹操送去一頭大象，曹操十分高興，帶領(lǐng)著文武百官和小兒子曹沖一同觀看。

大象又高又大，腿和柱子一樣粗，比他們平時(shí)騎的馬可大多了。曹操想知道這頭大象有多重，就問(wèn)大臣們有誰(shuí)能想個(gè)辦法稱(chēng)出大象的重量。大臣們嘰嘰喳喳誰(shuí)也沒(méi)想出什么辦法來(lái)，這時(shí)候五歲的曹沖說(shuō)：“父親，我有個(gè)辦法可以稱(chēng)大象的重量。”

曹沖叫人把大象趕到一只大船上，等大船停穩(wěn)了在水面達(dá)到的地方記上記號(hào)；再讓船裝上同樣多的石頭，稱(chēng)出石頭的重量，就等于大象的重量了。

“曹沖稱(chēng)象”這個(gè)故事中，聰明的曹沖用許多石頭代替大象，在船舷上刻劃記號(hào)，讓大象與石頭產(chǎn)生等量的效果，再一塊塊地稱(chēng)出石頭的重量，使“大”轉(zhuǎn)化為“小”，分而治之，這一難題就得到圓滿(mǎn)的解決。

我們從曹沖稱(chēng)象的故事中得到了一些啟發(fā)，看看能不能也想一個(gè)辦法稱(chēng)出地球的質(zhì)量呢？

我們可以先設(shè)一個(gè)小目標(biāo)，先稱(chēng)出地球的重量，然后稱(chēng)太陽(yáng)、稱(chēng)銀河系……

可是地球那么大，用普通的稱(chēng)來(lái)稱(chēng)地球的重量，那是不可思議的，我們不可能造出一把這么大的稱(chēng)；

即便造出來(lái)了也沒(méi)人能稱(chēng)得動(dòng)；

即便有人稱(chēng)得動(dòng)，這個(gè)人又要站在哪里稱(chēng)呢？

我們?cè)囋嚳茨懿荒芰肀脔鑿秸业揭环N方法來(lái)“稱(chēng)”地球！

我們知道，牛頓被蘋(píng)果砸中后思考引力問(wèn)題，然后提出了萬(wàn)有引力定律。

牛頓想，為什么物體會(huì)往地上掉，而不是往其他方向掉，可能是因?yàn)榈厍蛭怂槭裁丛虑蚶@著地球轉(zhuǎn)，地球又繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，是不是也有一種力吸引了它呢？

牛頓想啊想，根據(jù)當(dāng)時(shí)已經(jīng)有的一些科學(xué)基礎(chǔ)，比如開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律，推導(dǎo)出了萬(wàn)有引力定律的公式：兩個(gè)物體之間的引力的大小，等于這兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積除以他們之間的距離的平方，最后乘以一個(gè)引力常數(shù)G。

牛頓提出萬(wàn)有引力定律，當(dāng)時(shí)震驚了許多人，誰(shuí)能想到果園里的一只蘋(píng)果落到地上，竟然和天上的行星運(yùn)轉(zhuǎn)、海水的潮汐現(xiàn)象是一個(gè)道理！牛頓簡(jiǎn)直是揭開(kāi)了上帝創(chuàng)造世界并使之運(yùn)轉(zhuǎn)的規(guī)律！

當(dāng)時(shí)英國(guó)的著名詩(shī)人亞麗莎大·波普,就寫(xiě)詩(shī)贊美牛頓：

牛頓是偉大的！但是牛頓并沒(méi)有解決所有的問(wèn)題，比如在萬(wàn)有引力這個(gè)公式中，牛頓并沒(méi)說(shuō)這個(gè)引力常數(shù)G到底是多少，因此并不能用這個(gè)公式計(jì)算出兩個(gè)物體的引力。

但是我們知道地球?qū)ξ覀兊囊τ卸啻螅@個(gè)力大約是每千克質(zhì)量受到10牛頓的引力，而且我們也已經(jīng)知道從地面到地心的距離。這就相當(dāng)于萬(wàn)有引力公式中我們知道了等號(hào)左邊的力F，右邊的一個(gè)物體質(zhì)量m和距離r，只要知道這個(gè)引力常數(shù)G，就能計(jì)算出地球的質(zhì)量M了。

曹沖稱(chēng)象把稱(chēng)大象換成了稱(chēng)石頭，現(xiàn)在我們稱(chēng)地球的小目標(biāo)，也就變成了求牛頓萬(wàn)有引力公式中的引力常數(shù)G的值。嗯我的似乎找到了一條稱(chēng)地球的途徑，下一步我們來(lái)看看這個(gè)方法是不是可行的。

解釋一下，引力常數(shù)G是一個(gè)非常小的值，雖然萬(wàn)有引力告訴我們，質(zhì)量越大的物體引力越大，但是貌似胖子的吸引力也就那樣。。。

受到了一萬(wàn)點(diǎn)傷害的胖子

有一個(gè)我們司空見(jiàn)慣的現(xiàn)象，可以用來(lái)說(shuō)明萬(wàn)有引力的微弱：一根鐵針?lè)旁谧雷?，我們拿一塊磁鐵在上面吸，針很容易就被吸到磁鐵上。我們會(huì)覺(jué)得這很平常啊，要是針不被吸到磁鐵上才奇怪呢，但是我們?cè)傧胂耄?span>磁鐵把鐵針往上吸，而下面可是有一個(gè)60萬(wàn)億億噸重的地球在往下吸鐵針，但是最后只有幾十克的磁鐵把地球打敗了。可見(jiàn)相比起電磁力，萬(wàn)有引力是多么微弱啊。

呃…小編剛剛貌似泄題了。。。

不許看答案，都不許看答案！我們繼續(xù)想辦法稱(chēng)地球。

前面我們要說(shuō)到了，如果能知道兩個(gè)1千克的小球，在相距1米的地方能產(chǎn)生多大的引力，這個(gè)數(shù)值就是萬(wàn)有引力常數(shù)的值了?？涩F(xiàn)在問(wèn)題就在于，兩個(gè)1千克的小球引力實(shí)在太微弱了，根本測(cè)不出啊啊啊。。。

但是有的人偏生就喜歡做一點(diǎn)有挑戰(zhàn)性的事情，偏生還頭腦特別發(fā)達(dá)，偏生還就挑戰(zhàn)成功了~

于是我們今天的主角卡文迪許閃亮登場(chǎng)了，他就是那個(gè)“稱(chēng)”地球的人！此人姓卡文迪許，名亨利，1731年出生在英國(guó)的一個(gè)貴族家庭。據(jù)說(shuō)卡文迪許從祖上繼承了大筆遺產(chǎn)，“咱不差錢(qián)”，還被稱(chēng)為“最博學(xué)的富豪”。

亨利·卡文迪許

1731-1810

卡文迪許是一個(gè)“科學(xué)怪人”，他性格內(nèi)向靦腆，不喜歡交際，不善于言談，而且終身未婚?？ㄎ牡显S為了搞科學(xué)研究，還把客廳改成了他的實(shí)驗(yàn)室，臥室里也經(jīng)常放一些望遠(yuǎn)鏡之類(lèi)的觀察儀器，以便隨時(shí)觀察天象。

他研究科學(xué)純粹是為了個(gè)人愛(ài)好，很少發(fā)表他的研究成果，直到麥克斯韋整理出版了他的手稿，人們才知道他在科學(xué)方面的許多成就。給地球“稱(chēng)重”實(shí)驗(yàn)，便是是其中之一，這個(gè)實(shí)驗(yàn)叫扭稱(chēng)實(shí)驗(yàn)，排名“十大最美物理學(xué)實(shí)驗(yàn)”第六。

既然萬(wàn)有引力這么弱，那么要測(cè)出引力常數(shù)G的值，就要放大引力現(xiàn)象，讓本來(lái)不易被觀察到的引力現(xiàn)象變成易于觀察的現(xiàn)象。

嗯，對(duì)的，就是這樣子?？ㄎ牡显S想，然后著手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)偏生頭腦發(fā)達(dá)、還偏生有錢(qián)的科學(xué)怪人做了一把扭稱(chēng)：

卡文迪許用兩個(gè)質(zhì)量一樣的鉛球分別放在扭稱(chēng)兩端，中間用一根韌性很好的鋼絲系在支架上，鋼絲上有個(gè)小鏡子。用一束光線(xiàn)照到鏡子上，然后鏡子把光線(xiàn)反射到的很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的一塊尺子上。他記錄下這時(shí)候光線(xiàn)在尺子上位置。

然后用兩個(gè)質(zhì)量一樣的鉛球分別放在扭稱(chēng)兩端，吸引扭稱(chēng)上的兩個(gè)鉛球。這時(shí)候扭稱(chēng)旋轉(zhuǎn)了很小的一個(gè)角度，人的肉眼看不到，但是扭稱(chēng)的鏡子反射光線(xiàn)的角度改變了呀，遠(yuǎn)處尺子上的光線(xiàn)發(fā)生了偏移。

噔噔噔~卡文迪許巧妙地將微弱的引力放大稱(chēng)可以觀察到的光線(xiàn)角度偏移，并且成功計(jì)算出萬(wàn)有引力公式中引力常數(shù)G的值，G=6.7×10^-11。

負(fù)11次方誒，真的很小很小。

現(xiàn)在有了G的值，將萬(wàn)有引力公式中的其他變量輸入，就可以算出了地球的重量是60萬(wàn)億億噸；同樣的方法，還能還稱(chēng)出了太陽(yáng)的重量，稱(chēng)出太陽(yáng)系里所有行星的重量。

看吧，先定一個(gè)能達(dá)到的小目標(biāo)是多么重要。

很神奇有木有，實(shí)驗(yàn)室里這樣一把特殊的“稱(chēng)”，居然能稱(chēng)出一個(gè)星球這么龐然大物的“體重！”，憑借著少量已知的事實(shí)，推導(dǎo)出世界運(yùn)轉(zhuǎn)的規(guī)律，這大概也是科學(xué)的魅力之一吧。

今天英國(guó)劍橋大學(xué)的物理系叫卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，由麥克斯韋于1871年創(chuàng)立，就是為了紀(jì)念卡文迪許在科學(xué)上做出的貢獻(xiàn)。

你若覺(jué)得科學(xué)有趣，科寶有料

不妨先關(guān)注幾天唄▼