物教育学家:卡文迪什

2019-09-14 作者:名人名言   |   浏览(171)

亨利·卡文迪许(Henry Cavendish,又译成:亨利·卡文迪什,1731年10月10日

1810年2月24日),英国物理学家、化学家。在卡文迪许漫长的一生中,他取得了一系列重大发现——其中,他是分离氢的第一人,把氢和氧化合成水的第一人。由于卡文迪许在化学领域的杰出贡献,后人称他为“化学中的牛顿”。他证明了水并非单质,发现了库仑定律和欧姆定律,完成了测量万有引力常量的扭秤实验,被认为牛顿后英最伟大科学家之一。代表作品有《论人工空气》、《卡文迪什的电学研究》等。 人物生平 在18世纪期间,英国的一些化学家,如布拉克以及普利斯特里等人,都是出身于中产阶级的学者。 亨利.卡文迪许生于1731年10月10日,那时他的母亲正在法国休养,所以他生在法国南部。卡文迪许的祖父和外祖父分别是德文郡公爵和肯特公爵。他是在牛顿病故四年后出生的,他读过牛顿的全部著作,一生最佩服牛顿的学识和为人。 卡文迪许的父亲是当时有名的学者,所以,卡文迪许从小就得到父亲的鼓励,希望他在学术上能有所成就。11岁的时候,他被送到当时著名的贵族中学学习了8年之久。到1749年,他18岁,进了剑桥大学,一直到1753年,他22岁,因为不赞成剑桥大学的宗教考试,所以没取得任何学位,他离开了大学。 卡文迪许离开剑桥大学后,就跟父亲旁听英国皇家学会的会议,每个星期四中午,参加学会的聚餐。到了1760年他被选为皇家学会会员。这一头衔的荣耀持续。在英国,凡是有FSR头衔的人,依然受到人们的尊敬。 在18世纪时,还没有公家办的实验室。所以卡文迪许在自己家里装备了一座规模相当大的实验室,他终身在自己家里做实验工作。 他一生没有结婚,过着独身生活。曾经有人说:“没有一个活到80岁的人,一生讲的话像卡文迪许那样少的了。” 卡文迪许实验室 卡文迪许实验室是英国剑桥大学的物理实验室。卡文迪许实验室旧址入口实际上就是它的物理系。剑桥大学建于1209年,历史悠久,与牛津大学同为英国的最高学府。剑桥大学的卡文迪许实验室建于187l~1874年间,是当时剑桥大学的一位校长威廉·卡文迪许私人捐款兴建的。他是十八~十九世纪对物理学和化学做出过巨大贡献的科学家亨利·卡文迪许的近亲。这个实验室就取名卡文迪许实验室,当时用了捐款8450英镑,除去盖成一栋实验楼馆,还买了一些仪器设备。 卡文迪许扭秤实验 卡文迪许在物理学上最为人推崇的重大贡献之一,是他在年近70岁时完成了测量万有引力常量的扭秤实验,从而使牛顿的万有引力定律不再是一个比例性的陈述,而成为一项精确的定量规律,引力常量的测定也为牛顿的万有引力定律的可靠性提供了最重要的实验佐证。 17世纪时虽然牛顿发现了万有引力定律,给出了计算两物体之间的万有引力的数学公式:F=G/r^2(其中F为万有引力,G为引力常量,m1,m2分别为两物体的质量,r为两物体的距离) 但牛顿却没有给出引力常量的具体值。虽然科学家一直努力想测出该值,但都没有取得令人满意结果,因为一般的物体之间万有引力十分的小,所以万有引力常数也很小(测量值约为6.673E-11m^3/ 。 而在卡文迪许完成他的实验以前,天体的绝对质量是不能精确地测定的,只能由行星的卫星轨道来决定行星质量的相对值。 版本一 1797年卡文迪许完成了对地球密度的精确测量。他使用的装置是约翰·米切尔设计,但米切尔本人不久去世,将装置遗留给了沃拉斯顿,后被转送给卡文迪什。装置是由两个重达350磅的铅球和扭秤系统组成。为了消除气流干扰,卡文迪许将装置安装在一个不透风的房间,自己则在室外用望远镜观测扭矩的变化。之后他向皇家学会提交报告,给出了目前看来仍然比较精确的地球密度值。这一测量被称为开创了“弱力测量的新时代”。很多文章称卡文迪许求出了万有引力常量,实际上卡文迪许当时只关心地球的密度,并没有涉及其他。而采用卡文迪许的测量结果通过计算可以求出万有引力常量和地球的质量。 版本二 1798年,卡文迪许改进了约翰·米歇尔所设计的扭秤,在其悬挂扭秤的金属丝上附加一块小平面镜M,如图2所示,实现了对金展丝扭转角度的放大,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,防止了空气的扰动(当时还没有真空设备)。他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺长的木杆,杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球m,另用两个直径12英寸的固定着的大铅球m’吸引它们,测出铅球间引力引起的摆动周期,由此计算出两个铅球的引力,从而推算出万有引力常量G的数值为6.754X1O-11N·m2/kg2。他的测定方法非常精巧,在八、九十年间竟无人能赶超他的测量精度,就是现在看来,卡文迪许的测量仍有相当的精确度(1979年G的测量值为6.6720XlO-11N·m2/kg2)。卡文迪许把自己的这个实验称做“测量地球的重量”,他通过测定的G值算出地球的平均密度为水密度的5.481倍(地球密度的现代数值为5.517g/cm3),成为“称量地球第一人”。 相关实验 在卡文迪许的实验中利用了一个扭秤,典型的设计可由一根石英纤维悬挂一根载有质量为m1及m2的两个小球的杆而组成,如图3.6a所示。每个小球距石英纤维的距离L相等。当一个小的可测量的扭矩加在这个系统上时,在石英丝上可以引起扭转,记下这个扭转值可以标定扭秤。我们可以利用这个扭矩,它是由具有恒定的、作用力已知的弹簧在m2的位置上施加一个水平的力而组成。 如果质量为M1及M2的两个物体分别位于与质量为m1及m2的两个小球的水平距离很小的位置上,我们可以观测到石英丝的旋转,如图3.6b所示。我们可以分别决定m1与M1以及m2与M2的距离r1及r2,然后求施加在杆的端点的水平方向上的力,由此确立加石英纤。 从质量M的测量所得的偏离,再根据上面所说到的,由石英丝旋转大小而取得的扭秤的标定,我们可以决定N之值。由于我们可以测量N,L,r1,r2以及所有不同物体的质量,在方程中除了G以外,所有量都是已知的,于是可从方程直接决定G,其值为G=6.7×10^达因·厘米2·克-2。(A^B表示A的B次方) 一旦G的值已知,利用开普勒第三定律,方程可以立即决定太阳的质量。开普勒第三定律实际上是包含太阳及行星的总质量M的,但是对不同行星进行计算后,我们可以证实,太阳的质量很接近于M,而行星的质量仅约为~0.0013M⊙,在近似计算中可以忽略。利用已知的月球轨道及相似的方法,可以导得地球的近似的质量。 人物评价 卡文迪许公开发表的论文并不多,他没有写过一本书,在长长的50年中,发表的论文也只有18篇。除了一篇在1771年发表的论文是理论性的以外,其余的论文内容都是实验性和观察性的,大部分是关于水槽化学方面的,先后发表在1766年到1788年的英国皇家学会的期刊上。 卡文迪什在1766年发表了他的第一篇论文《论人工空气》,“人工空气”一词为波义耳首创,用来指存在在某种物质中,通过化学反应可以释放出来的气体。如普利斯特里通过碳酸盐与酸反应生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在严格保持温度和压强条件的前提下,对当时已知的各种气体的物理性质,特别是密度进行了严谨而细致的研究,并首先研究出二氧化碳、氢气等气体的收集方法,较系统地研究了二氧化碳和氢气的性质。这篇文章使他获得英国皇家学会的科普利奖章。 1767年,卡文迪许发表的论文介绍了他,关于水和固定空气的实验。 1773年,卡文迪许用两个同心金属球壳做实验,发现了电荷间的作用规律,从而验证了自己的之前的结论——卡文迪许之前曾圆满解释了电荷在导体表面分布并严格遵守距离平方反比律的原因。 1781年,卡文迪什采用铁与稀硫酸反应而首先制得“可燃空气”,随后测定了它的密度,研究了它的性质。他测出氢气和氧气化合成水时的体积之比为2.02:1,从而证明了水不是元素而是化合物。 在1783年他研究了空气的组成成分,做了很多试验,发表的论文的题目是“空气试验”。也就是这个时候,他发现水是由氢和氧两种元素组成的。他还发现了硝酸。 还有一部分是关于液态物质凝固点的研究,发表于1783年到1788年。 1797年,卡文迪许最后的一项研究十分著名的,是关于地球平均密度的问题。他在改良约翰·米切尔设计之后,通过实验测量了地球平均密度。卡文迪许提出的数字是5.448克/厘米,公认的是5.48克/厘米。这说明当时试验已经相当准确。这项实验同时实验验证了牛顿的万有引力定律,确定了引力常数,被后人称为“卡文迪许实验”。 卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时,已年近七十。 在他逝世以后,人们发现他有大量文稿,一直藏着未经公开发表。这部分未发表的论文相当多,电学部分由19世纪的大物理学家麦克斯韦教授整理后在1879年出版,化学和力学部分是由爱德华.普索于1921年主编出版的。

卡文迪什(Henry Cavendish,1731~1810)

英国物理学家和化学家。1731年10月10日生于法国尼斯。1749年考人剑桥大学,1753年尚未毕业就去巴黎留学。后回伦敦定居,在他父亲的实验室中做了许多电学和化学方面的研究工作。1760年被选为英国皇家学会会员。1803年当选为法国科学院外国院土。卡文迪什毕生致力于科学研究,从事实验研究达50年之久,性格孤僻,很少与外界来往,终身未娶。他在化学、热学、电学、万有引力等方面进行地行多成功的实验研究,但很少发表,过了一个世纪后,麦克斯韦整理了他的实验论文,并于1879年出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪什的电学研究》一书,此后人们才知道卡文迪什做了许多电学实验。麦克斯韦说:“这些论文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实,这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”

早在库仑之前,卡文迪什已经研究了电荷在导体上的分布问题。1777年,他向皇家学会提出报告说:“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方,如果是这样的话,那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方,而且这些电紧紧地压在一起,物体的其余部分处于中性状态。”他还通过实验证明电荷之间的作用力f = k ,其中n = 2± 。他还早于法拉第用实验证明电容器的电容取决于两极板之间的物质。他最早建立电势概念,指出导体两端的电势与通过它的电流成正比(欧姆定律在1827年才确立)。当时还无法测量电流强度,据说他勇敢地用自己的身体当作测量仪器,以从手指到手臂何处感到电振动来估计电流的强弱。

卡文迪什的重大贡献之一是1798年完成了测量万有引力的扭秤实验,后世称为卡文迪什实验。他改进了英国机械师米歇尔(John Michell,1724~1793)设计的扭秤,在其悬线系统上附加小平面镜,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,防止了空气的扰动(当时还没有真空设备)。他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺木杆,杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球,另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们,测出铅球间引力引起的摆动周期,由此计算出两个铅球的引力,由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。他算出的地球密度为水密度的5.481倍(地球密度的现代数值为5.517g/cm3),由此可推算出万有引力常量G的数值为6.754×10-11Nm2/kg2(现代值前四位数为6.672)。这一实验的构思、设计与操作十分精巧,英国物理学家J.H.坡印廷曾对这个实验下过这样的评语:“开创了弱力测量的新时代”。

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