测试与计量技术基础(周渭)第7章 基本物理常数.ppt

第7章 基本物理常数  7.1 宏观物理常数 7.1.1 牛顿引力常数G 1666年，英国物理学家牛顿在研究天体运行规律中， 发表了著名的万有引力定律： “每个质点都受到周围其他质点的作用，作用力与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比， 作用力沿着质点的连线方向。 ” 这个定律用公式表示为  (7.1.1) 式中: F为作用力，M和m为质点质量，r为距离， G是比例常数， 称为引力常数， 也称为牛顿引力常数。  牛顿认为公式中的引力常数G是普适常数，不受物体的形状、大小、 地点和温度等因素的影响。 虽然牛顿提出了万有引力定律， 但他却没能给出引力常数的准确数值。 直到1798年，即牛顿发表万有引力定律之后100多年，卡文迪许采用扭秤法第一个准确地测定了引力常数，他测得的数值为6.754×10-11 m3·kg-1·s-1与目前的公认值只差百分之一。目前，引力常数的数值为6.673×10-11 m3·kg-1·s-1，不确定度为1.5×10-3，是基本常数中不确定度最大的一个。 7.1.2 阿伏加德罗常数NA、摩尔气体常数R和摩尔体积Vm 在物理学和化学中，有一个著名的定律叫阿伏加德罗定律。 它的内容是“在相同的温度和压力下，相等的容积所含各种气体的质量与它们各自的分子量成正比；或者说，在相同的温度和压力下， 相等的容积所含各种气体的克分子数相等。” 这一定律是意大利物理学家阿伏加德罗于1811年提出的。根据阿伏加德罗定律，1mol物质含有的微观粒子数是一个常数，人们为了纪念阿伏加德罗这位伟大的科学家， 将这一常数命名为阿伏加德罗常数。目前，阿伏加德罗常数NA=6.022 141 99×1023mol-1，不确定度为7.9×10-8。  当物质的量为n的理想气体处于平衡态时， 其状态方程为 pV=nRT (7.1.2)  其中包括了气体的三个状态量：p——压强, V——体积, T——气体的热力学温度。这个方程就是理想气体的状态方程。 式中R是一个比例常数，称为摩尔气体常数，其值为8.314 472 J·mol-1·K-1，不确定度为1.7×10-6。在标准条件下，即温度T≡273.15 K， 压力p≡101 325Pa时，1 mol理想气体的体积Vm是一个常数，称为摩尔体积，现在已测得Vm =22.413 996L·mol-1，不确定度为1.7×10-6。 阿伏加德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。 它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质量、分子体积（直径）等这些微观量联系起来。 7.1.3 真空中的光速c、磁常数μ0、电常数ε0和真空中的特征阻抗Z0  真空中的光速是最古老的物理常数之一。早在1676年， 罗迈从木星卫星相邻蚀之间的时间间隔的变化的观测得出光速有限的结论， 后来的观测证实了他的预言。1728年，布拉德雷根据恒星光行差求得c=3.1×108m/s。1849年，斐索用旋转齿轮法求得c=3.153×108m/s，他是第一位用实验方法测定地面光速的实验者。1862年，傅科用旋转镜法测空气中的光速，原理和斐索的旋转齿轮法大同小异，他的结果是  c=2.98×108 m/s。  第三位在地面上测到光速的是考尔纽（M.A.Cornu），1874年他改进了斐索的旋转齿轮法， 测得  c=2.9999×108 m/s。  迈克尔逊改进了傅科的旋转镜法， 多次测量光速, 1879年， 他测得  c=（2.999 10±0.000 50）×108 m/s，1882年测得c =（2.998 53±0.000 60）× 108 m/s。 后来他综合旋转镜法和旋转齿轮法的特点，发展了旋转棱镜法，1924～1927年间，测得c=（2.997 96±0.000 04）×108 m/s。迈克尔逊在推算真空中的光速时应该用空气的群速折射率，可是他用的却是空气的相速折射率, 这一错误在1929年被伯奇发现。 经改正后，1926年的结果应为c=（2.997 98±0.000 04）×108 m/s=299 798±4 km/s。 后来， 由于电子学的发展，用克尔盒、谐振腔、光电测距仪等方法， 光速的测定比直接用光学方法又提高了一个数量级。20世纪60年代激光器发明后，运用稳频激光器可以大大降低光速测量的不确定度。1973年达0.004 ppm，终于在1983年第十七届国际计量大会上作出决定，将真空中的光速定为精确值