測G實(shí)驗(yàn)中幾種相關(guān)效應(yīng)的影響分析.pdf

1、萬有引力常數(shù)G 是最早被認(rèn)識和測量的一個物理常數(shù)。由于它與理論物理、天體物理和地球物理都有密切的關(guān)系，它的精確測量在引力實(shí)驗(yàn)以及整個物理實(shí)驗(yàn)中都占有很重要的地位。自從1798年卡文迪許首次利用精密扭秤給出較精確的G 值以來，人們在G 值的精確測量上付出了很大的努力，但是和其它物理常數(shù)相比，它的精度卻是最差的。目前國際上各個實(shí)驗(yàn)小組給出的G 值在誤差范圍內(nèi)并不吻合，這也說明萬有引力常數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)中還存在未知的系統(tǒng)誤差。
　　 我們

2、實(shí)驗(yàn)室利用扭秤周期法對G 值進(jìn)行了精密的測量，在1998年給出一個結(jié)果，被CODATA-1998 收錄并命名為HUST-99。為了提高實(shí)驗(yàn)精度，我們提出了新的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計，并對實(shí)驗(yàn)中可能存在的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了分析。本文主要分析檢驗(yàn)質(zhì)量和吸引質(zhì)量密度分布對G 值的影響，檢驗(yàn)質(zhì)量表面金屬薄膜的厚度分布對G 值的影響以及背景磁場波動對扭秤運(yùn)動周期的影響。
　　 萬有引力常數(shù)G的值只能根據(jù)牛頓萬有引力定律進(jìn)行測量。在實(shí)驗(yàn)室中測量G值的困難

3、之一是：點(diǎn)質(zhì)量不存在，必須根據(jù)物體的幾何形狀進(jìn)行嚴(yán)格的積分計算。
　　 對于一定體積的檢驗(yàn)質(zhì)量和吸引質(zhì)量來說，需要測量其密度的分布。我們利用光學(xué)干涉法檢測了檢驗(yàn)質(zhì)量玻璃塊的折射率變化，根據(jù)玻璃密度和折射率的關(guān)系計算密度的相對變化。在體積為5×5×5mm 3的范圍內(nèi)，玻璃塊密度的相對變化約為10-5，對G 值測量引入的相對不確定度約為0.2ppm。我們利用掃描電鏡來檢測吸引質(zhì)量SS316不銹鋼球體中的材料缺陷。在掃描電鏡的背散射電

4、子像中，與均勻區(qū)域相比，缺陷區(qū)域顯示的顏色較深。利用缺陷區(qū)域的面積與檢測區(qū)域總面積的比值，得到在體積為0.272×0.234×0.005mm 3的范圍內(nèi)，不銹鋼球密度的相對變化約為5.9×10-4。假設(shè)測G 實(shí)驗(yàn)中使用的不銹鋼球的密度分布和檢測球的密度分布相同，吸引質(zhì)量密度分布不均勻?qū) 值測量引入的相對不確定度小于0.034ppm。
　　 為了減小扭秤表面電勢變化對測G 實(shí)驗(yàn)的影響，扭秤表面被鍍了一定厚度的金屬(金和銅)膜，金

5、屬膜與吸引質(zhì)量之間的引力效應(yīng)會對G 值的測量帶來影響。在G值的計算中需要知道金屬膜的厚度分布，我們利用分塊稱重的方法測量了金屬膜的厚度分布。把一個和檢驗(yàn)質(zhì)量有相同尺寸的玻璃塊分成19個小塊，按照順序組裝起來進(jìn)行鍍膜。通過分別稱量每個小玻璃塊鍍膜前后的質(zhì)量得到每個小玻璃塊上薄膜的平均厚度，由此給出扭秤表面金屬膜厚度的分布規(guī)律。扭秤表面的金屬膜厚度對G值的修正為-24.3ppm，引入的相對不確定度為4.3ppm。
　　 運(yùn)動的扭秤在