掉坑里的熊是什么色？探秘重力加速度

北冰洋

一顆蘋果掉在了牛頓的身旁，他據(jù)此發(fā)現(xiàn)了萬有引力。這個故事你早就耳熟能詳。而下面這個你可能還沒聽過：一頭熊掉進了坑里，這個坑深4.916米，熊掉到坑底用了1秒，那么，你知道這頭熊的顏色嗎？

或許，你正一頭霧水：熊掉坑里，問它的顏色？這什么跟什么啊？

這就得從萬有引力說起了……

引力的發(fā)現(xiàn)

在很久以前的歐洲，人們認為地球是宇宙的中心，所有的星星都在圍繞地球運轉(zhuǎn)——“地心說”是那個年代的主流。

1543 年，波蘭天文學(xué)家哥白尼發(fā)表《天體運行論》。他主張地球不是宇宙的中心，提出了“日心說”。對此，支持“地心說”的教會怒不可遏，認為權(quán)威遭受了挑戰(zhàn)。哥白尼因此備受刁難，還受到教會的迫害。后來，“日心說”的支持者之一，意大利自然科學(xué)家布魯諾還因此殉道，被教會的極端分子燒死在鮮花廣場。

1596 年，受到“日心說”的啟發(fā)，德國天文學(xué)家開普勒發(fā)表《宇宙的秘密》。他在書中構(gòu)建了以太陽為中心的宇宙體系。后來，開普勒將他的體系逐漸完善。1610 年到1619 年期間，他提出了“開普勒三定律”。這使他贏得了“天空立法者”的美譽，更對后來者的學(xué)說起到至關(guān)重要的作用。

在“開普勒三定律”之后，人們開始更加深入地思考，究竟是什么使得行星在圍繞太陽運動。伽利略、笛卡爾，還包括開普勒自己都提出過相關(guān)的解釋，以及胡克、哈雷等都做出了貢獻。關(guān)于萬有引力，一切呼之欲出——

后來的事情就家喻戶曉了。1687 年，牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，正式提出了萬有引力。他認為，宇宙萬物都在相互吸引。

而在地表附近，萬有引力就是導(dǎo)致物體墜落的力——重力。

小π 的超時空對話

π：您看見蘋果掉落就發(fā)現(xiàn)萬有引力，真的就這么簡單嗎？

牛頓：我的發(fā)現(xiàn)也得益于前輩們的努力，特別是開普勒。

π：您知道嗎？后來有人通過萬有引力定律，計算出了地球的質(zhì)量。

牛頓：知識的接力真是神奇啊！

物理啟蒙

·八年級物理下“重力”

·由于地球的吸引而使物體受到的力叫作重力。

重力的測量

重力，也就是讓熊掉坑里的“罪魁禍首”。

其實歷史上，第一個對重力理解比較正確的是伽利略。十六世紀，人們還普遍相信，重的物體會比輕的物體先落地。而伽利略卻發(fā)現(xiàn)，不管是重的還是輕的物體，它們受到的重力加速度都一樣。因而，才有了著名的“比薩斜塔實驗”。

伽利略也是第一個測出重力加速度的人。1590 年，他利用物體在斜面上會受到重力而滑落的實驗，來測量重力加速度的值。不過由于物體會受到斜面摩擦力的影響，他測量的值算不上精確。

然而，伽利略對重力的探索也沒有能夠再向前。知識，還需要接力……

1784 年，英國物理學(xué)家喬治·阿特伍德通過更精妙的設(shè)計，更為準確地測出了重力加速度。他將質(zhì)量相同的重物用繩子連接，并繞過一個定滑輪。接著，在其中的一個物體上附加一個較輕的物體。這時，定滑輪更重的一端會因為重力以一個微小的加速度下滑。測出這個加速度，再根據(jù)各個物體的質(zhì)量，便可以精確地計算出重力加速度。阿特伍德發(fā)明的這個裝置，被叫作阿特伍德機。

到了現(xiàn)代，測量重力加速度的重任被交到了重力儀——基本原理依然是自由落體。重力儀依靠更先進的現(xiàn)代科技來精確地測量出自由落體的時間和距離，以此得出極為精確的重力加速度。

不同地區(qū)的重力和熊

到這里，可能你又要問：這跟掉坑里的熊的顏色有什么關(guān)系？

關(guān)系來了！

地球并不是一個絕對的球體，是一個兩極稍扁，赤道略微鼓起的橢圓體。地球還在以南北極為軸進行自轉(zhuǎn)，而赤道地區(qū)的物體隨著地球自轉(zhuǎn)時，受到的一部分萬有引力會用來提供向心力——所以在地表，重力加速度的大小，在不同緯度的地區(qū)是不一樣的。

在赤道地區(qū)，地表的重力加速度約為9.780m/s2 ，最??；在南北極地區(qū)，地表的重力加速度約為9.832m/s2 ，最大。不同地區(qū)的重力加速度是有差異的，這使得不同地區(qū)的熊掉到坑底的用時是不同的——根據(jù)計算，只有在南北極地區(qū)，熊掉進4.916 米的坑底用時最短，僅需1 秒。那么，南北極的熊分別是什么顏色？

南極沒有熊，只有北極熊，它看起來是白色！

關(guān)于重力加速度的測量，除了讓我們知道不同地區(qū)的熊掉坑里的時間不同之外，還具有更廣泛的科學(xué)意義。通過測量不同地區(qū)的地球重力的微小變化，可以提供關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地殼運動等方面的寶貴信息。根據(jù)這些信息，我們可以揭示地球內(nèi)部的演化過程、研究地殼運動的規(guī)律。在不久的未來，也許預(yù)測地震也將成為可能。甚至，遠不止于此。