這是
Google 對 http://wenku.baidu.com/view/cbdb8a6eb84ae45c3b358cc8.html
的快取。 這是該網頁於 2012年6月24日 20:48:45 GMT 顯示時的快照。 在此期間，目前網頁可能已經變更。
瞭解更多資訊
這些搜尋字詞已反白標明： 非 均匀 引力 场 等 效 原理
第 26 卷第 12 期 2007 年 12 月 大 学 物 理 COLL EGE
PH YSICS Vol. 26 No. 12 Dec. 2007 专题介绍 等效原理的实验检验秦 ,闫 ,李光仲 ,王云创 丹 鹏 (
滨州医学院 ,山东 烟台 264003) 摘要 : 等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一 . 关于等效原理的研究及其实验证明 ,
一直是人们关心和探索的 热点问题 . 本文简要阐述等效原理的研究背景 ,通过对自由落体法和扭秤法检验等效原理的详细介绍来具体讨论等效原理的 实验检验 . 关键词
: 等效原理 ; 实验检验 ; 自由落体 ; 扭秤 中图分类号 :O 314 文献标识码 :A 文章编号 :1000 20712 ( 2007)
12 20029 203 1 等效原理 匀引力场来说 , 等效原理只对其中可看作均匀的局 部才成立 . 因此 , 对于非均匀引力场 , 等效原理可以 表述为 :
对引力场中每一个可视为均匀的局域 ( 或 该局域内的引力效应完全消除[ 2 ] . 等效原理可以分为弱等效原理和强等效原理. 弱等效原理是说 ,
引力场和惯性场的力学效应是局 域不可分辨的 . 强等效原理是说 , 引力场和惯性场的 一切物理效应都是局域不可分辨的 . 所谓局域不可 分辨 ,
就是在任一个时空点的无穷小领域 , 不能用力 学实验 ( 或一切物理学实验) 区分引力场和惯性场 . 弱等效原理的另一种表述是惯性质量和引力质量相 等 .
爱因斯坦把弱等效原理推广为强等效原理 , 作为 广义相对论的基础 . 故现在也说弱等效原理是广义 相对论的理论基础假设之一 . 事实上弱等效原理并
不适用于其他相互作用 ( 电磁 、 、 弱 强相互作用 ) , 它 是引力理论独有的一个初始假设 . 几乎所有试图将
引力和其他相互作用统一的理论都要求等效原理破 缺 , 这意味着广义相对论或许并不是最完善的引力 理论 . 这也是为什么等效原理的实验检验被科学界
所特别重视的原因之一 . 一个高精度的等效原理的 实验结果 , 不论证实其成立还是破缺 , 都将具有重要 的科学意义 .
等效原理的主要根据是引力质量与惯性质量的 等效性 . 质量是物质的内禀性质 , 关于质量的定义起 源于牛顿 . 在牛顿力学中 , 引入了两个质量的概念 .
牛顿第二定律 ( 1) F = ma 中有一个质量 m , 它量度物质保持原来状态不变的 能力 , 反映了物体的惯性 , 所以把它叫做惯性质量 .
而万有引力定律 F= Gm 0 m r 3 ) “一点邻域” , 总可找到一加速参照系 , 在其中可将 r ( 2) 中也有一个质量 m ,
它表征物质吸引和被吸引的能 力 , 因此把这里的质量称为引力质量 . 虽然从定义上 来说 , 两者是本质上不同的物理量 , 但是如果它们的
大小相等或成一定的比例 , 则可以当作同一个量来 处理 . 这就是所谓的引力质量和惯性质量的等效性 . 爱因斯坦在研究引力问题时 , 对于这个问题指出 :
“在引力场中 , 一切物体具有同一加速度 , 这条定律 也可以表述为惯性质量与引力质量相等的定律 . 它 当时就使我认识到它全部的重要性 . 我为它的存在
而感到极为惊奇 , 并猜想其中必定有一把可以更加 [ 深入地了解惯性和引力的钥匙 . ”1 ] 设法理解引力质量和惯性质量相等的问题直接
导致了爱因斯坦等效原理的产生. 爱因斯坦的等效 原理是说 :均匀性的引力空间 ( 场 ) 中的 — 个静止的 参照系和无引力的空间 ( 惯性空间)
中的一个匀加速 参照系在物理上完全等效 . 但是对于现实中的非均 收稿日期 :2006- 10- 10 2 等效原理的实验检验 2. 1
自由落体法检验等效原理 人类已经采用多种方法对等效原理进行实验检 ) 作者简介 : 秦丹 (1976 — ,女 ,山东日照人 ,山东滨州医学院讲师
,主要从事普通物理学的教学和研究工作 . 30 大 学 物 理 第 26 卷 验 . 一种具有较高潜在灵敏度的方法是所谓的自由 下落方法 ,
也是验证弱等效原理最直接的方法 . 以往 由于测量技术的限制 , 自由落体方法曾一度被人们 放弃 , 但是近几十年以来 , 随着真空技术迅速发展 、
高稳频激光器以及超导量子干涉器件的应用 , 自由 落体实验已经可以达到相当高的精度 . 自由落体实验原理 :如果忽略重力梯度的影响 ,
引入等效原理的破缺因子 η( 1 , 2) , 则两个不同的检 验质量 1 和 2 的引力加速度之差为 g1 - g2 = m 1g m 2g a = η( 1
, 2) a m 1i m 2i ( 3) 之比 ,这些单摆就会有不同的周期 . 牛顿的单摆实 验 ,没有观测到周期的差异 ,精度达到了 10 - 3 .
1827 年 Bessel 也做了单摆的实验 ,并把精度提高到了 1. 6 × - 5 . Potter 在 1923 年再次用单摆来验证 10 “物体
的引力质量和惯性质量相等” 的实验 ,将结果的相对 - 6 精度提高到了 3 × 10 . 2. 3 扭秤法检验等效原理
另外一种典型的实验方案是借助精密扭秤来验 证等效原理 . 扭秤至今为止在力学实验中仍然是最 精确的仪器之一 , 因此选择用扭秤来做等效原理验
证的实验是一个理想的方法 . 扭秤实验原理 : 如果把两个不同的物体悬挂在 扭秤的两端 ( 或者把多个物体悬挂在多重对称的扭 秤的每一端) ,
两个物体不仅会受到引力作用外 , 还 会受到惯性力的作用 , 如果对于各种物体来说 , 引力 质量和惯性质量的比例不是一个常数 , 或者说不相 等 ,
那么在扭秤平面内就会有一个力矩作用在扭臂 上 , 使扭秤发生偏转 . 我们可以通过测量扭秤偏转的 情况来验证等效原理 .
通常这样的扭秤实验有两种方式来实现 , 一种 是利用地球的引力和地球的自转 , 称为地球方案 . 另 一种是利用太阳的引力和地球绕太阳的运动 , 称为 太阳方案
. 在地球方案中 , 检验质量受到地球的引力和地 球自转的惯性离心力 , 如果不同物体的惯性质量与 引力质量的比值不同 , 则它们各自产生的力矩也不 同
, 这样一来就可能使扭秤发生偏转 . E tv s 就是利 用的这种方法 . E tv s 首先在 1890 年进行了这一实 验 ,实验结果的相对精度为 5 ×
- 8 , 他的学生 Ren2 10 10 - 10 . 其中 a 表示的是物体由于受到地球引力产生的加速 度 . m g , m i
分别表示引力质量和惯性质量 . 由此可 见 ,通过测量不同组分的检验质量自由下落的重力 加速度的不同 , 可以检验弱等效原理 . 在实际中 , 我
们通常是检测两个不同组分检验质量下落相同距离 所用的时间差来反映它们加速度的差异 . 最早的验 证实验应该是著名的传说伽利略比萨斜塔实验 , 他
使质量材料都不同的两个球从比萨斜塔上同时下 落 ,结果两个球同时落地 ,这说明两个球在同一引力 场中的加速度是相等的 , 因此可以说明引力质量和
惯性质量之比与球的大小 、 材料无关 . 以后的 Ni2 bauer , Faller 等人也用自由落体法来检验弱等效原 理
,但地面振动的影响使得地面自由落体实验精度 仅达到 10 - 10 量级水平 [ 3 , 4 ] . 目前已达到的最高精度实验检验是采用月地测
距技术完成的 . 月地测距实质上是比较地球和月球 落向太阳的加速度来检验等效原理 . 月地测距的方 法是测量光从观测站射至月球表面经角锥棱镜反射
折回至观测站接收所需的时间 . 在过去 35 年中 , 月 球激光测距的精度不断提高 , 从早期的 25 cm 到现 在的 2 cm
,相应的等效原理的检测精度也从 1976 年 的 10 提高到现在的 10 . 2. 2 单摆法检验等效原理 第一个有意识检验弱等效原理的人是牛顿 ,
用 银、 、 、 铅 玻璃 沙等多种材料来进行比较 . 他把重量相 同的两种不同材料置于两个相同的木盒子的中心 , - 11 - 13 [ 5 , 6 ]
ner 在 1935 年 把 这 一 实 验 的 精 度 提 高 到 了 2 × 在太阳方案中 , 对于在地心的物体 , 受到的太阳
引力和绕太阳运动的惯性力可以完全补偿掉 , 但是 对于地球表面就不一定了 , 地球表面的物体除了受 用 11 英尺的细线悬吊起来 , 做成两个质量相同 、 结
构相同并且有相同空气阻力的单摆 , 然后使它们相 邻 , 以相同的振幅起摆 , 比较它们的周期 . 如果将引 力质量和惯性质量加以区别 , 单摆的摆动周期为 π
T =2 L g mi mg 到太阳的引力和公转产生的惯性力作用外 , 还要受到 潮汐力的作用 , 而潮汐力和检验物体的惯性质量与 引力质量的比值有关 ,
如果对于不同材料的物体 , 这 个比值是不一样的话 , 那么潮汐力产生的力矩也会 不一样 , 这样就有可能使扭秤发生偏转 . 通过检验扭 秤的偏转来验证等效原理
. Dicke 、 Braginski 和 Adel2 [7 ] berger 使用的是这种方案 . Dicke 在 1964 年 , 利用
太阳产生的引力和地球绕日产生的离心力 , 使用一 个三重对称的扭秤进行了 E tv s 式的实验 , 把实验 精度提高到了 3 × - 11 , 随后
Brangiski 用一个八重 10 ( 4) 因此 ,如果不同材料有不同的惯性质量和引力质量 第 12 期 , 等 : 等效原理的实验检验 秦
丹 31 对称的扭秤把实验精度进一步提高到了 9 × - 13 . 10 2. 4 自旋- 自旋物体等效原理的检验
人们很早就开始从理论和实验两方面研究微观 粒子的自旋相互作用 , 包括自旋 - 轨道耦合和自旋 自旋耦合[ 8 ] . 此外 , 对微观粒子的自旋与引力耦合也
进行了相当深度的研究 . 然而对于宏观物体而言 , 对 其自旋耦合的研究到目前为止仍是一个开放的课题 . 仅只是最近几年 , 人们越来越投入兴趣开始研究引力
场对陀螺运动的影响 , 例如 Krori 等人描述四级矩场 下陀螺的进动 ,日本东北大学 Hayasaka 和 T akeuchi 用
天平称重实验来研究陀螺转子自转时的质量与自转 转速的关系 ,最早引起物理学界的关注 . Herrera 等人 研究在轴对称时空下陀螺的运动特征
,Mashhoon 建立 引力 - 拉莫尔进动来讨论自旋与引力的耦合 . 宏观旋转物体等效性是一个开放的课题 . 中科
院理论物理研究所的张元仲和华中科技大学的罗俊 等人提出了物体的自由运动可能对等效原理产生影 响 ,他们建立一个唯象模型 ,并提出实验检验旋转物 体的等效性 [
9 ] . 实验中是通过比较一个宏观旋转物 体和一个不旋转同种材料物体在地球引力场中自由 下落过程中受到的加速度差来检验弱等效原理 . 实
验结果表明不旋和左旋检验质量受到的重力加速度 差为 Δ g ≈ 0148 μGal. 经分析这主要受到了旋转陀 螺与外壳直径的摩擦耦合 . 结果表明在 1. 6
×10 的相对精度内 , 对于宏观旋转物体而言等效原理依 然成立 [ 10 ] . 同时也给出了宏观旋转物体相互作用的 耦合因子上限 κ ≤119 ×10 -
19 kg - 1 . 历次主要实验 及其结果如表 1 所示 . 表1 等效原理实验检验年份 方法 ～1610 ～1680 1827 1890 1905
1910 1917 1923 1935 1964 1971 1989 1993 1999 2001 2002 - 7 3 前景
随着空间科学和空间技术的迅猛发展 , 为彻底 克服地球引力场和离心力场的影响提供了有利的条 件 . 目前国际上正准备进行空间自由落体方案来检 验等效原理 ,
这些计划包括美国的 STEP 计划和意 大利的 GG 计划以及欧空局在 2009 年发射的 M I2 CROSCOPE 计 划 , 它 们 旨 在 更 高 精
度 ( 10 - 15 ～ 10 - 19 ) 上检验等效原理 . 等效原理精度的不断提高 也将导致引力理论的新发展 . 参考文献 : [1 ] 许良英 ,
范岱年 . 爱因斯坦文集 ( 第一卷 ) [ M ] . 北京 : 商 务印数馆 ,1976 :320 — 321. 社 ,1991 :3 — 8. [2]
洪吕 . 爱因斯坦的等效原理 [ M ] . 济南 : 山东大学出版 [3 ] Niebauer T M , McHugh M P , Faller J E.
Galilean test for t he fift h force [J ] . Phys Rev Lett , 1987 , 59 ( 6) :609 —
612. [4 ] Dittus H , Met hls C. A new experimental baseline for testing t he
weak equivalence principle at t he Bremen drop tower [ J ] . Class Quantum Grav
, 2001 , 18 ( 13 ) : 2 417 — 425. 2 [ 5 ] Williams J G , Dicke R H , Bender P L
, et al. New Test [J ] . Phys Rev Lett , 1976 , 36 ( 11) : 551 — 554. of t he
Equivalence Principle from Lunar Laser Ranging [ 6 ] Williams J G , Turyshev S
G , Boggs D H. Progress in Lunar Laser Ranging Tests of Relativistic Gravit y [J
] . Phys Rev Lett , 2004 , 93 ( 26) :1 101 — 104. 1 [ 7 ] β S , Heckel B R ,
Adelberger E G , et al. Improved Bae ler Test of t he Equivalence Principle for
Gravitational Self Energy[J ] . Phys Rev Lett ,1999 ,83 ( 18) :3 585 — 588. 3
实验者 | m i - m g| / m i <2× - 3 10 < 10 - 3 <2× - 5 10 <5× - 8 10
<3× - 9 10 <5× - 6 10 <3× - 8 10 <3× - 5 10 < 2 × - 10 10 < 3
× - 11 10 < 9 × - 13 10 < 5 × - 10 10 10 - 9 < 515 × - 13 10 < 018 ×
- 13 10 10 - 7 Z B Zhou ,J Luo ,at el. ( 宏观旋转物体) ONERA(MICROSCOPE) 2009 Italy (
GG) USA ( STEP) 2010 — 2030 Galileo Newton Bessel E tv s E tv s ,et al. Sout
herns Zeeman Potter Renner Dick ,et al. Braginski Nibauer ,Faller ,et al.
Wei2tou Ni ( 微观) Adelberger J .D.Anderson ,et al. 自由落体 摆 摆 扭秤 扭秤 摆 扭秤 摆 扭秤 扭秤
,太阳 扭秤 ,太阳 自由落体 扭秤 扭秤 ,太阳 月地测距 自由落体 空间自由落体 空间自由落体 空间自由落体 10 - 15 10 - 16 10 -
17～10 - 19 [8] Chui I C P , Ni W T. Experimental search for an anoma2 lous
spin - spin interaction between electrons [ J ] . Plys Rev Lett , 1993 , 71 (
20) : 3 247 — 250. 3 [ 9 ] Zhang Y Z , Luo J , Nie Y X. Gravitational effects
of ro2 tating bodies [ J ] . Mod Phys Lett A , 2001 , 16 ( 12 ) : 789 — 794. [
10 ] Zhou Z B , Luo J , Yan Q , et al. Null upper limit from terrestrial
equivalence principle test for extended rotating 022 002- 4. ( 下转 40 页) bodies
[J ] . Phys Rev D , 2002 ,66 ( 2 ) : 022 002 - 1 — 40 大 学 物 理 第 26 卷
用率 ,缓解仪器设备和实验用房的压力 ,缓解老师的 压力和实验时间安排上的困难 . 按照以前的实验教 学管理方法 ,每学年只开设指定的 10 个实验项目 ,
每个实验项目必须接待每一个学生 , 这势必造成一 个尖锐的矛盾 : 一方面是所开设的实验项目仪器使 用频繁 ,仪器设备损坏率居高不下 , 实验室运作繁 忙
,实验指导教师压力大 ; 另一方面 , 未开设的实验 仪器处于闲置状态 ,实验用房部分空闲 ,极大的浪费 了有限的资源 . 采用新的教学管理方案后 ,开设的实
验项目数多了 ,学生所需要完成的实验个数也增加 了 ( 由原来的 10 个增加为 12 个 ) , 但每个实验室所 需要接待的学生人数减少了 ,
这有利于充分利用实 验室现有的资源 ,同时保证了在实验开设的过程中 , 有足够的间隙时间对实验仪器设备进行必要的维护 和修理 ,有效的提高了仪器设备的完好率
,也有效的 缓解了实验时间安排上的困难 . 参考文献 : [1 ] 吕斯骅 . 基础物理实验选题问题 [J ] . 大学物理 ,2006 , 25 ( 5)
:1 — 3. [2 ] 沈元华 . 基础物理实验教学的 “与时俱进” ] . 大学物 [J 理 ,2002 ,21 ( 12) :42 — 44. [3]
吕斯骅 ,段家 . 全面改革物理实验教学体系与内容 , 培养有坚实基础的创新人才 [J ] . 大学物理 , 2003 , 22 ( 1) :34 —
36. [4 ] 史贵全 . 大学物理实验教学的变革历史及其启示 [J ] . 大学物理 ,2001 ,20 ( 2) :27 — 30. [5]
周克省 ,赵新闻 ,胡照文 ,等 . 工科物理实验教学改革思 路与实践 [J ] . 大学物理 ,2001 ,20 ( 3) :26 — 29. [6 ]
艾剑峰 ,任才贵 . 通用性开放式实验综合管理系统的研 制与开发 [J ] . 华东交通大学学报 , 2006 , 23 ( 4 ) : 47 — 50.
Attempt at teaching ref orm of opening and grading physics experiment REN
Cai2gui ,A I Jian2feng ( School of Basic Sciences , East China Jiaotong
University , Nanchang 330013 , China) Abstract :A new physics experiment mode
of “six grades at t hree levels”is suggested by employing t he opening
experiment mode gradually , and t he different inst ructing met hods for
different grades , we t ry to meet t he various needs f rom different st udent s
, improve t heir ability to conduct experiment , and cultivate t heir per2
sonality. Key words :physics experiment ; teaching reform ; grading ; opening (
下接 31 页) The experimenal test of equivalence principle Abstract :The t
heoretical background of equivalence principle is briefly given , and t he
experimental test s of Key words :equivalence principle ; experimental test ; f
ree- fall ; torsion balance t he equivalence principle is discussed in detail ,
via f ree- fall met hod and torsion balance. Q IN Dan , YAN Peng , L I
Guang2zhong , WAN G Yun2chuang (Binzhou Medical College , Yantai , Shandong
264003 , China)
当前文档信息
文档关键词
更多相关推荐文档
| 等效原理的实验检验 0人评 3页 | |
| 强等效原理的实验验证 2人评 7页 | |
| 实验验证戴维南等效定理 1人评 4页 | |
| 旋转物体的等效原理及其空间... 0人评 5页 | |
| 等效原理 9人评 5页 |
No comments:
Post a Comment