Опыт кавендиша доклад по физике

Обновлено: 19.05.2024

Установление Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. 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 Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.

Вложенные файлы: 1 файл

Эксперимент Кавендиша.ppt

Шевченко Анна, 9 класс

Генри Кавендиш (10 октября 1731 – 24 февраля 1810) - британский физик и химик.

Генри Кавендиш вместе со своим братом Фредериком получил начальное образование дома. Позже отец отправляет братьев продолжать обучение в специализированном научном учреждении Хакни, многие из преподавателей которой были тесно знакомы с передовыми умами современной науки.

В 1749 году в возрасте до восемнадцати лет Генри поступает в Кембриджский университет и, продолжая родовую традицию, становится двадцать первым членом семьи Кавендишей, поступившим в этот университет. Обучение в университете, впитавшем в себя идеи Исаака Ньютона, сильно повлияло на его мировоззрение. Генри Кавендиш уходит из университета в 1753 году, не получая учёной степени, поскольку не видит необходимости в академической карьере. После ухода из университета он начинает вести собственные научные исследования в уединении своего жилища.

Установление Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. Его значение определяется прежде всего универсальностью гравитационно го 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 Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.

Современное выражение закона всемирного тяготения:

между материальными точками

До начала XIX века константа G в закон всемирного тяготения не вводилась, 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. Именно он сконструировал главную деталь в экспериментальной установке — крутильные весы, однако умер в 1793 так и не поставив опыта. После его смерти экспериментальная установка перешла к Генри Кавендишу. Кавендиш модифицировал установку, провёл опыты и описал их в Philosophical Transactions в 1798.

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Эксперимент Генри Кавендиша по определению гравитационной постоянной и измерению массы планеты. Презентация на заданную тему содержит 10 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

План 1. История 2. Установка для эксперимента 3. Вычисленное значение гравитационной постоянной 4. Физический смысл гравитационной постоянной. 5.Опыт Кавендиша оживил закон тяготения. 6.Роль опыта Генри Кавендиша 7.Определение массы Земли

История Установление Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. 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 Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли. Первоначально эксперимент был предложен Джоном Мичеллом. Именно он сконструировал главную деталь в экспериментальной установке — крутильные весы, однако умер в 1793 так и не поставив опыта. После его смерти экспериментальная установка перешла к Генри Кавендишу. Кавендиш модифицировал установку, провёл опыты и описал их в Philosophical Transactions в 1798.

Установка Установка представляла собой деревянное коромысло длиной около 1,8 м с прикреплёнными к его концам небольшими свинцовыми шарами диаметром 5 см и массой 775 г., подвешенное на нити из посеребрённой меди длиной 1 м. К этим шарам с помощью специальной поворотной фермы, ось вращения которой совпадает насколько возможно точно с осью нити, подводились два свинцовых шара бо́льшего размера — диаметром 20 см и массой 49,5 кг, жёстко закреплённые на ферме. Вследствие гравитационного взаимодействия малых шаров с большими коромысло отклонялось на некоторый угол. Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, можно вычислить силу притяжения малого шара к большому, а отсюда и гравитационную постоянную. Упругость нити на кручение определялась, исходя из периода свободных колебаний коромысла, который составлял 15 минут. Поскольку измеряемые силы ничтожно малы, был предпринят целый ряд мер, имеющих целью компенсацию погрешностей, возникающих вследствие воздействия физических условий опыта, не имеющих непосредственного отношения к измеряемым гравитационным силам, но могущих оказать на результат влияние, сравнимое или даже превышающее действие этих сил. В числе этих мер можно отметить следующие.

Опыт проводится в два приёма: сначала большие шары с помощью поворотного механизма фермы подводятся к малым с одной стороны (например, против часовой стрелки, как показано на рисунке), а затем — с противоположной, и измеряется двойной угол закручивания нити — от отклонения коромысла в одном направлении до противоположного. Это увеличивает непосредственно измеряемое значение угла, а главное — компенсирует влияние возможного наклонения или деформации установки и/или здания при перемещении тяжёлых шаров в ходе эксперимента, а также воздействие на результат всевозможных асимметричных факторов: технически неизбежной асимметрии самой установки, гравитационного влияния массивных объектов, находящихся поблизости (зданий, гор и т.п.), магнитного поля Земли, её вращения, положения Солнца и Луны, и др. Опыт проводится в два приёма: сначала большие шары с помощью поворотного механизма фермы подводятся к малым с одной стороны (например, против часовой стрелки, как показано на рисунке), а затем — с противоположной, и измеряется двойной угол закручивания нити — от отклонения коромысла в одном направлении до противоположного. Это увеличивает непосредственно измеряемое значение угла, а главное — компенсирует влияние возможного наклонения или деформации установки и/или здания при перемещении тяжёлых шаров в ходе эксперимента, а также воздействие на результат всевозможных асимметричных факторов: технически неизбежной асимметрии самой установки, гравитационного влияния массивных объектов, находящихся поблизости (зданий, гор и т.п.), магнитного поля Земли, её вращения, положения Солнца и Луны, и др. Для предотвращения влияния конвекционных потоков воздуха в помещении крутильные весы были заключены в деревянный кожух. Предположив, что на закручивание нити может оказать влияние магнитное взаимодействие железных стержней фермы и свинцовых шаров, Кавендиш заменил стержни медными, получив те же результаты.

ABCDDCBAEFFEA — неподвижный деревянный кожух, внутри которого подвешены крутильные весы. ABCDDCBAEFFEA — неподвижный деревянный кожух, внутри которого подвешены крутильные весы. m — тонкий деревянный стержень коромысла. g — растяжка из тонкой серебряной проволоки, сообщающая жёсткость коромыслу. X — малые шары, подвешенные к коромыслу на проволоке. K — рукоятка механизма первоначальной установки коромысла. RrPrR — поворотная ферма, с закреплёнными на ней большими шарами MM — шкив поворотного механизма фермы. L — осветительные приборы T — телескопы для наблюдения за отклонением коромысла через остеклённые отверстия в торцевых стенках кожуха, напротив концов коромысла. На нижних краях этих отверстий с внутренней стороны кожуха были установлены шкалы из слоновой кости с делениями в 1/20 дюйма (около 1,2 мм). На торцах коромысла были прикреплены верньеры из того же материала, с такими же делениями, подразделёнными на 5 равных отрезков. Точность измерения отклонения конца коромысла составляла, таким образом, 1/100 дюйма. Наличие двух телескопов позволяло контролировать корректность эксперимента: если бы показания телескопов заметно отличались, это свидетельствовало бы о наличии какого-то дефекта в конструкции установки, или о каком-то неучтённом физическом факторе, существенно влияющем на результат. Для своего времени эта установка явилась беспримерным шедевром искусства физического эксперимента.

Роль опыта Кавендиша Закон всемирного тяготения получил экспериментальное доказательство Закон всемирного тяготения стал применим для количественных расчётов. Теперь можно было рассчитать массы и плотности различных небесных тел, в том числе и Земли, траектории искусственных спутников Земли. Определить время и место солнечных и лунных затмений. Открыть новые планеты и звёзды. Предугадать новые физические закономерности.

Определение массы Земли. Допустим, что с Землёй взаимодействует тело массой 1кг, находящееся у её поверхности. Тогда силу притяжения тела к Земле можно найти двумя способами - по формулам: Приравняв правые части этих равенств, получим: Известно, что g=9,81м/с2, G=6,67∙10-11 Н∙м2/кг2, R=6370000 м, подставив их значения, получим массу Земли:

Цитата Фейнмана. … Весы Кавендиша, два притягивающих шара, это маленькая модель солнечной системы. Если увеличить её в 10 миллионов раз – и вот вам галактики, которые притягиваются друг к другу по тому же самому закону, вышивая свой узор. Природа пользуется лишь самыми длинными нитями и всякий, даже самый маленький образчик его, может открыть нам глаза на строение целого.

История проведения опытов по определению гравитационной постоянной и вычислению массы планеты.

Вложение	Размер
prezentatsiya_opyt_kavendisha._maryonkov_a.ppsx	618.4 КБ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

История Установление Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. 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 Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли . Первоначально эксперимент был предложен Джоном Мичеллом . Именно он сконструировал главную деталь в экспериментальной установке — крутильные весы, однако умер в 1793 так и не поставив опыта. После его смерти экспериментальная установка перешла к Генри Кавендишу. Кавендиш модифицировал установку, провёл опыты и описал их в Philosophical Transactions в 1798.

ABCDDCBAEFFEA — неподвижный деревянный кожух, внутри которого подвешены крутильные весы . m — тонкий деревянный стержень коромысла . g — растяжка из тонкой серебряной проволоки, сообщающая жёсткость коромыслу . X — малые шары, подвешенные к коромыслу на проволоке . K — рукоятка механизма первоначальной установки коромысла . RrPrR — поворотная ферма, с закреплёнными на ней большими шарами MM — шкив поворотного механизма фермы . L — осветительные приборы T — телескопы для наблюдения за отклонением коромысла через остеклённые отверстия в торцевых стенках кожуха, напротив концов коромысла. На нижних краях этих отверстий с внутренней стороны кожуха были установлены шкалы из слоновой кости с делениями в 1/20 дюйма (около 1,2 мм). На торцах коромысла были прикреплены верньеры из того же материала, с такими же делениями, подразделёнными на 5 равных отрезков. Точность измерения отклонения конца коромысла составляла, таким образом, 1/100 дюйма . Наличие двух телескопов позволяло контролировать корректность эксперимента: если бы показания телескопов заметно отличались, это свидетельствовало бы о наличии какого-то дефекта в конструкции установки, или о каком-то неучтённом физическом факторе, существенно влияющем на результат. Для своего времени эта установка явилась беспримерным шедевром искусства физического эксперимента.

Определение массы Земли. Допустим, что с Землёй взаимодействует тело массой 1кг, находящееся у её поверхности. Тогда силу притяжения тела к Земле можно найти двумя способами - по формулам: Приравняв правые части этих равенств, получим: Известно, что g=9,81 м/с 2 , G =6,67 ∙ 10 -11 Н ∙ м 2 /кг 2 , R =6370000 м , подставив их значения, получим массу Земли:

Цитата Фейнмана. … Весы Кавендиша, два притягивающих шара, это маленькая модель солнечной системы. Если увеличить её в 10 миллионов раз – и вот вам галактики, которые притягиваются друг к другу по тому же самому закону, в ышивая свой узор. Природа пользуется лишь самыми длинными нитями и всякий, даже самый маленький образчик его, может открыть нам глаза на строение целого.

Ученым давно известно, что в нашем понимании гравитации чего-то не хватает. Она, например, не объясняет, как таинственная темная энергия ускоряет расширение Вселенной, а также не согласуется с квантовой механикой, которая описывает, как объекты ведут себя на уровне атомов и элементарных частиц. Один из способов попытаться примирить обе теории – это наблюдать, как маленькие объекты взаимодействуют с гравитацией. Недавно международная команда физиков впервые в истории успешно измерила гравитационное поле крошечного золотого шара диаметром около 2 мм в лабораторных условиях. Новое исследование призвано помочь ученым понять, как гравитация согласуется с квантовой механикой в мельчайших масштабах. Интересно, что гравитационные силы подобной величины, как правило, возникают только в областях самых отдаленных галактик. Так что результаты нового исследования как минимум восхищают.

Золотой шар, использованный в ходе нового исследования в сравнении с монетой.

Эксперимент Генри Кавендиша

В конце 18 века британский физик и химик Генри Кавендиш хотел измерить среднюю плотность нашей планеты. В эксперименте ученый использовал крутильные весы и коромысло, которое он закрепил на длинной металлической нити. В него физик положил два свинцовых шара примерно по 730 граммов каждый. К каждому из этих шаров – на одной высоте – Кавендиш подвел тяжелый шар, около 150 кг, также сделанный из свинца. Кавендиш приложил максимум усилий в ходе эксперимента и поместил установку в деревянный ящик, чтобы потоки воздуха и перепады температуры не оказывали на нее никакого влияния.

Результат, как вероятно знает уважаемый читатель, позволил с удовлетворительной точностью измерить плотность Земли и стал первым в истории экспериментом по изучению гравитационного взаимодействия между телами в лабораторных условиях. Отметим также, что полученные Кавендишом данные впоследствии позволили ученым вычислить гравитационную постоянную.

Гравитационная постоянная или постоянная Ньютона — это фундаментальная физическая постоянная, константа гравитационного взаимодействия.

Средняя плотность Земли равна 5,51. Эти значения разделяют два века и подтверждают огромный экспериментальный талант британца Генри Кавендиша.

Важно понимать, что ученый в своем эксперименте не ставил задачу определения гравитационной постоянной, так как в те годы еще не было выработано единого представления о ней в научном сообществе.

Как измерить гравитационное поле?

В новом исследовании физики из Венского университета и Австрийской академии наук впервые разработали миниатюрную версию эксперимента Кавендиша. Впервые в истории им удалось успешно измерить гравитационное поле золотого шара диаметром всего 2 мм с помощью высокочувствительного торсионного маятника. В этих масштабах команде необходимо было учесть ряд источников возмущений.

Торсионный маятник или вращательный маятник представляет собой механическую систему, в котором тело подвешено на тонкой нити и обладает лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

В качестве гравитационной массы физики использовали золотые шары, каждый весом около 90 мг. Две золотые сферы были прикреплены к горизонтальному стеклянному стержню на расстоянии 40 миллиметров. Одна из сфер была тестовой массой, другая – противовесом; третья сфера – исходная масса, перемещалась рядом с тестовой массой для создания гравитационного взаимодействия. Для предотвращения электромагнитного взаимодействия сфер использовался экран Фарадея, а эксперимент проводился в вакуумной камере для предотвращения акустических и сейсмических помех.

Крошечный маятник подвешен на тонком стеклянном волокне ощущает гравитационную силу миллиметрового золотого шара.

Затем с помощью лазера ученые смогли отследить как луч отскочил от зеркала в центре стержня к детектору. Когда стержень вращался, движение лазера на детекторе показывало, насколько сильно действует гравитационная сила, а перемещение массы источника позволило команде точно отобразить гравитационное поле, создаваемое двумя массами. Эксперимент показал, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив даже для крошечных масс размером всего 90 миллиграммов.

Полученные результаты также показали, что в будущем могут быть проведены еще более мелкие измерения гравитационного поля. Интересно и то, что новое открытие может помочь ученым продвинуться в исследовании квантового мира и потенциально получить новое представление о темной материи, темной энергии, теории струн и скалярных полях.

Схема, представленная в исследовании. Изобрадени Nature, 2021

Как отметил соавтор исследования Ганс Хепах в интервью New Scientist, самый большой негравитационный эффект в эксперименте был зафиксирован от сейсмических колебаний, генерируемых пешеходами и трамвайным движением вокруг исследовательской лаборатории в Вене. Поэтому наилучшие результаты измерений физики получали ночью и во время рождественских каникул, когда людей на улицах было меньше.

Если попробовать кратко резюмировать полученные в ходе работы результаты, гравитационная сила (согласно Эйнштейну) является следствием того, что массы искривляют пространство-время, в котором движутся другие массы. В новом эксперименте физикам удалось измерить то, как пространство-время искривляет божья коровка. А как вы думаете, к чему приведет новое открытие? Удастся ли ученым наконец примирить две не состыкующиеся теории? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.

Читайте также: