測G實驗中幾種相關效應的影響分析.pdf

1、萬有引力常數G 是最早被認識和測量的一個物理常數。由于它與理論物理、天體物理和地球物理都有密切的關系，它的精確測量在引力實驗以及整個物理實驗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相比，它的精度卻是最差的。目前國際上各個實驗小組給出的G 值在誤差范圍內并不吻合，這也說明萬有引力常數的測量實驗中還存在未知的系統(tǒng)誤差。
　　 我們

2、實驗室利用扭秤周期法對G 值進行了精密的測量，在1998年給出一個結果，被CODATA-1998 收錄并命名為HUST-99。為了提高實驗精度，我們提出了新的實驗方案設計，并對實驗中可能存在的系統(tǒng)誤差進行了分析。本文主要分析檢驗質量和吸引質量密度分布對G 值的影響，檢驗質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動周期的影響。
　　 萬有引力常數G的值只能根據牛頓萬有引力定律進行測量。在實驗室中測量G值的困難

3、之一是：點質量不存在，必須根據物體的幾何形狀進行嚴格的積分計算。
　　 對于一定體積的檢驗質量和吸引質量來說，需要測量其密度的分布。我們利用光學干涉法檢測了檢驗質量玻璃塊的折射率變化，根據玻璃密度和折射率的關系計算密度的相對變化。在體積為5×5×5mm 3的范圍內，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，不銹鋼球密度的相對變化約為5.9×10-4。假設測G 實驗中使用的不銹鋼球的密度分布和檢測球的密度分布相同，吸引質量密度分布不均勻對G 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 實驗的影響，扭秤表面被鍍了一定厚度的金屬(金和銅)膜，金

5、屬膜與吸引質量之間的引力效應會對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。把一個和檢驗質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行鍍膜。通過分別稱量每個小玻璃塊鍍膜前后的質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。
　　 運動的扭秤在