【微視頻】重力加速度g
1592年,意大利物理學家伽利略證明了斜面上銅球的速度隨時間均勻增加。他認為,如果增加斜面的傾斜角度,銅球即使在垂直狀態下,也仍然遵循相同的運動規律。單位時間內速度的增量稱為自由落體加速度。伽利略巧妙地利用斜面來“稀釋”引力的影響,因此他只需要測量斜面上銅球較小的加速度重力加速度g,就能推導出自由落體加速度的大小。
1784年,英國物理學家阿特伍德發明了一種測量自由落體加速度的裝置。兩個質量相等的重物用細線連接起來,繞過一個固定的輕滑輪。當把一個小的輕物體放在重物體上時,裝置就會加速。通過測量這個較小的加速度,就可以計算出自由落體加速度的值。這種裝置被稱為阿特伍德機。雖然這種裝置無法避免系統誤差,但它是當時幾乎所有歐洲大學的標準配置。
(當然,阿德伍德機并不是只用來測量重力加速度的,實際上一個重物通過定滑輪帶動另一個物體的運動軌跡非常復雜,在二維平面(或三維空間)內的運動和兩物體的質量比,初夾角,初速度都有很大關系,這里舉個例子,大家可以欣賞一下。)
振蕩 機,質量比 4.5,初始角度 90 度,初始速度 0
其實自由落體加速度來自于地球對物體的吸引力,所以自由落體加速度又叫重力加速度。地球是一個不規則的球體,赤道和北極到地心的距離大約相差21公里。
在北極,由于地球對物體的引力,北極的重力加速度約為9.832m/s2。
赤道處距地心的距離比北極稍遠,所以重力比北極小0.18%。再加上赤道處物體隨地球自轉,一小部分重力用來提供物體隨地球做圓周運動的向心力,所以重力比北極減小0.35%。這樣,赤道處總重力加速度比北極小0.53%,約為9.780m/s2。
在地球其他緯度,除了提供物體繞地軸做圓周運動的向心力外,剩下的力就是重力。因此,重力加速度會隨著緯度的增加而增大,這意味著如果你在地球上的不同地方,你的重力會略有不同。
為了統一,國際度量衡委員會于1901年采用了地球范圍內的一個中間值9./s2,作為標準重力加速度,這個值實際上相當于北緯45.542度海平面的重力加速度。
在不同的緯度,地面上重力加速度的數值稍有不同,在遠離地球的太空中重力加速度g,重力加速度會發生很大的變化,我們畫一個重力加速度隨距離變化的圖,其實在地球以外的太空中,重力加速度和距離的平方成反比。
但在地球內部,重力加速度隨深度的變化要復雜得多。物理老師喜歡假設地球是一個密度均勻的球體。那么隨著距離球心的距離減小,重力加速度均勻減小,兩者成正比關系。
當然這只是假設,實際上地核和地幔的密度比地殼大很多倍,地幔和地核之間的密度差別很大。從目前探測到的密度分布來看,地球內部重力加速度隨距離的變化很復雜,可以看出地幔中的重力加速度比地面略大,在外核和地幔之間重力加速度達到最大值。