重力加速度

物理名词

重力加速度,即重力对自由下落的物体产生的加速度,也叫自由落体加速度。如果以m表示物体的质量,以g表示重力加速度,重力G可表示为G=mg,方向竖直向下。

定义
重力加速度是一个物体在真空中仅在万有引力作用下做自由落体运动时的加速度。它由引力作用引起,不受物体的质量与成分影响。重力加速度也称为自由落体加速度,通常用字母g表示。
重力加速度是矢量,它的方向总是竖直向下的,它的大小可以用实验方法求出。由于地球自转使物体具有向心加速度,万有引力需要分成两个分力,一个较小的分力用于提供向心力,另一个分力即为重力。因此,重力加速度的大小随其在地球上地点的不同而略有差异。例如在赤道上g=9.780m/s2,在北极g=9.832 m/s2,在北纬45°的海平面上g=9.807 m/s2,在北京g=9.801 m/s2等。通常在没有明确说明的时候g取9.80 m/s2。在进行粗略的计算或有说明时可以把g取作10m/s2 。第3届国际计量大会规定9.80665 m/s2是标准自由落体加速度。
如果让一石块和铁球从同一地点、同一高度、同时由静止开始自由下落,可以观察到,两物体的速度都均匀的增大而且变化情况完全相同,它们最终同时到达地面。这种现象说明,在地球上同一地点做自由落体运动的所有物体,尽管受到不同的重力作用,但它们下落过程中的加速度的大小和方向是完全相同的。在地球上同一地点,重力加速度是一个恒定的矢量。这就决定了自由落体运动实质上是一个初速度为零的匀加速直线运动。
在月球、其他行星或星体表面附近物体的下落加速度,则分别称月球重力加速度、某行星或星体重力加速度 。
性质
重力加速度g的方向总是竖直向下的。在同一地区的同一高度,任何物体的重力加速度都是相同的。重力加速度的数值随海拔高度增大而减小。当物体距地面高度远远小于地球半径时,g变化不大。而离地面高度较大时,重力加速度g数值显著减小,此时不能认为g为常数。
距离地面同一高度的重力加速度,也会随着纬度的升高而变大。由于重力是万有引力的一个分力,万有引力的另一个分力提供了物体绕地轴作圆周运动所需要的向心力。物体所处的地理位置纬度越高,圆周运动轨道半径越小,需要的向心力也越小,重力将随之增大,重力加速度也变大。地理南北两极处的圆周运动轨道半径为0,需要的向心力也为0,重力等于万有引力,此时的重力加速度也达到最大。
计算
根据牛顿物理学,下面给出计算重力加速度的表达式,即
式中:g为重力加速度;G为万有引力常数,,M为地球质量;r为地球中心至计算点的距离或半径。
上面的方程给出了重力加速度的大小,其作用方向是沿物体与地球中心间连线的方向。这里要注意的关键是,了解位置才能求得重力加速度,而且其大小与半径的平方成反比,它随高度的增大而迅速减小。
由于地球的自转会给物体一个离心力,在精确测量时还需考虑地球自转带来的影响。地球赤道处重力加速度约为9.780m/s2,两极处约为9.832 m/s2,因此粗略计算时可忽略离心力对重力的影响。
单位
国际单位制中,重力加速度的单位是m/s2 。为纪念第一个测定重力加速度的物理学家伽利略,人们把重力加速度的CGS单位(厘米、克、秒单位制)称为“伽(Gal)”。
测定
最早测定重力加速度的是伽利略。约在1590年,他利用斜面将g的测定改为测定微小加速度a=gsin θ,θ是斜面的倾角。测量重力加速度的另一方式是阿脱伍德机。1784年,G.阿脱伍德将质量同为M的重块用绳连接后,放在光滑的轻质滑车上,再在一个重块上附加一重量小得多的重块m(图2)。这时,重力拖动大质量物块,使其产生一微小加速度,测得a后,即可算出g。后人又用摆和各种优良的重力加速度计测定g。
地球上几个不同纬度处的g值见下表;从中可以看出g值随纬度的变化情况:
由于地球是微椭球形的,加之有自转,在一般情况下,重力加速度的方向不通过地心,重力加速度的测定,对物理学、地球物理学、重力探矿、空间科学等都具有重要意义。
常用数值
各纬度海平面的重力加速度(单位:m/s2)
不同高度的重力加速度 (单位: m/s2)
精确计算
在近代一些科学技术问题中,需考虑地球自转的影响。更精确地说,物体的下落加速度g是由地心引力F(见万有引力)和地球自转引起的离心力Q(见相对运动)的合力W(图一)产生的。Q的大小为
m为物体的质量;ω为地球自转的角速度;为地球半径;H为物体离地面的高度;为物体所在的地球纬度。这个合力即实际见到的重力W=mg。地球重力加速度是垂直于大地水准面的。在海平面上g随纬度变化的公式(1967年国际重力公式)为:
在高度为H的重力加速度g(1930年国际重力公式)同H和有关,即
式中H为以米为单位的数值。
意义
重力加速度g值的准确测定对于计量学、精密物理计量、地球物理学、地震预报、重力探矿和空间科学等都具有重要意义。例如,不确定度为1×10-6的g值,对绝对安培的影响为5×10-7;对绝对伏特、力和压力的影响为1×10-6;对复现水沸点温度的影响是3×10-4K。
地球物理学研究中要求观测重力长规的细微的变化,即所谓g的长度;这种变化可能是由于地壳运动,地球的内部结构和形状的演变,太阳系中动力常数的长度以及引力常数G的变化等等。观测这些变化要求g值的计量不确定度达10-8至10-9量级。观测g值的变化可能对预报地震有密切的关系,据有关方面报道,七级地震相对应的g值变化约为0.1×10-5m/s2。目前,许多国家都在探索用g值的变化作临重力加速度的测量震预报。
重力探矿是利用地下岩石和矿体密度的不同而引起地面重力加速度的相应的变化。故根据在地面上或海上测定g的变化,就可以间接地了解地下密度与周围岩石不同的地质构造、矿体和岩体埋藏情况,圈定它们的位置。
历史
随着基础研究和空间技术对地球动力学和地球内部精细结构的需求日增,利用重力场数据研究相关问题显得愈来愈重要。地球表面重力加速度是最重要、最常见的物理量。几百年来,已有许多科学家在理论和实验上做出了努力,力图不断提高其测量准确度。
最早测定重力加速度的是伽利略。约在1590年,他利用斜面将g的测定改为测定微小加速度a=gsin θ,θ是斜面的倾角。自1590年伽利略发现了物体受地球重力场作用而自由下落的规律,并用比萨斜塔实验验证了物体自由下落的速度与物体的质量无关以来,精确测定地球表面的重力加速度值,一直是物理学家关注的课题。
20世纪70年代中期,国际上首次提出了激光冷却原子的设想,朱棣文教授因研究成功激光冷却囚禁原子的方法,于1997年获得诺贝尔物理学奖。他将此方法用于测量单个原子的重力加速度也获得了成功,他估算的测量准确度可达3×10-9。1997年,原子干涉重力仪的测量结果直接与不确定度为2×10-9的经典激光绝对重力仪FG5的测量结果进行了比对。比对结果表明,作用在原子上的地球引力与作用在宏观物体上的引力没有明显的差别。即重力对原子的作用与对棒球的作用是相同的,这就是著名的“现代比萨斜塔实验”。
自1889~1904年在波茨坦利用可倒摆测量绝对重力值以来,其测量准确度已由1×10-5 m/s2 提高到2×10-8m/s2,发生这一质的飞跃主要是近20年的事,其中最近的一次是Neibauer等人于1993年将原先的JILA型仪器成功地改进为FG5型仪器。与此同时,一种新的便携式小型绝对重力仪正得到试用。此外,另一种新型的原子喷泉式(原子干涉)绝对重力仪已在实验室试验成功。毫无疑问,这将进一步促进地球物理学、大地测量学和计量学的发展。
2023年9月28日,代表欧洲核子研究中心(CERN)位于瑞士日内瓦的ALPHA合作团队测量了反物质的重力加速度,发现它接近地球上的正常物质:1 g,即9.8m/s2。更确切地说,发现它的波动范围在正常重力值的标准偏差约为25%以内。
高中实验
单摆测量重力加速度
使用单摆测量当地重力加速度的核心原理是基于单摆的周期公式:,从而推导出重力加速度的计算公式: 。通过测量单摆的摆长和周期,可以计算出重力加速度。
实验步骤:
落体法测量重力加速度
电火花打点计时器法利用高压放电在纸带上留下点迹,记录物体在自由下落过程中各时刻的位置。根据匀加速直线运动的原理,可以通过这些点迹之间的间距和时间间隔计算重力加速度。电源频率为50 Hz,因此每相邻两点的时间间隔为 0.02 秒。根据匀加速直线运动公式,物体的位移和时间的关系为:
其中,是位移,是初始速度,是重力加速度,是时间。对于相邻的两个点迹,可以通过多次测量不同点迹之间的位移,并利用逐差法来计算。
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