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[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(16):无定向秤( astatic balance )的系统误差是多少?

已有 1257 次阅读 2024-6-23 22:49 |个人分类:科学 - 艺术 - 社会|系统分类:科研笔记

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[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(16):无定向秤( astatic balance )的系统误差是多少?

                  

无定向秤: astatic balance

系统误差: systematic error

安培: son Jean-Jacques-Antoine Ampère, 1775-01-20 ~ 1836-06-10, 61

分子电流: molecular current

安培力: Ampère force

洛伦兹力: Lorentz force

                                         

                                   

   电磁学的实验再检验,一个直接的起因:担心100多年之前的那些电磁学经典实验,精度和稳定性等都明显低于我们当代的物理实验水平。除了常见的加工误差等,还有没有别的误差?特别是原理性的系统误差?

   从《相对论》、《量子力学》等角度,反思一下那些经典实验,也是有积极意义的。

                                         

一、背景:磁场依赖参照系

图1 两个沿平行线匀速运动的点电荷之间的作用力 aa_小.jpg                  图1 两个沿平行线匀速运动的点电荷之间的作用力 bb_小.jpg

图1  两个沿平行线匀速运动的点电荷之间的作用力,可以是不同的

(a) 如果运动方向相同,两点电荷之间相对静止,只有库仑力FC

(b) 如果运动方向相反,两点电荷之间除了库仑力FC外,还有洛伦兹力FL

                                    

andr-marie-ampre-discovery-of-the-link-between-electricity-and-magnetism_裁剪.jpg

图2  两根平行的载流导线

andr-marie-ampre-discovery-of-the-link-between-electricity-and-magnetism.jpg

https://images.saymedia-content.com/.image/t_share/MTg0NDkzNDM1MzkzMjg3Mjg4/andr-marie-ampre-discovery-of-the-link-between-electricity-and-magnetism.jpg

https://animalia-life.club/qa/pictures/andre-marie-ampere-experiments

                  

Ampere’s+Experiment_裁剪.jpg

图3  两根平行的载流导线 Ampere’s+Experiment.jpg

https://slideplayer.com/slide/14850744/90/images/15/Ampere%E2%80%99s+Experiment.jpg

https://animalia-life.club/qa/pictures/andre-marie-ampere-experiments

                  

Amperian_currents-1-1024x335.jpg

图4  Amperian_currents-1-1024x335.jpg

https://www.bbvaopenmind.com/wp-content/uploads/2017/04/Amperian_currents-1-1024x335.jpg

https://animalia-life.club/qa/pictures/andre-marie-ampere-experiments

                  

   早在1822年法国科学家安培就发现了平行长直导线之间,如果电流方向相同则相互吸引,若电流方向相反就相互排斥。

   但是,在其它条件不变的情况下,电流方向相同时导线间的相互吸引力FA,和电流方向相反时的排斥力FR,是否严格相等,即FA = FR是否严格成立?

   有没有高精度的物理实验对此进行过检验?1822年安培的实验结论不用怀疑,但是其精度到底达到怎样的水平?

                                 

无定向秤 astatic balance 的系统误差图_小.jpg

图5  三个稳恒直流电线圈之间的电磁作用

       

   上图(图5),忽略掉各种细节。三个理想的线圈,且均载有稳恒直流电流。核心问题:

   不妨假设外面线圈E里的电流IE激发磁场。

   内部两个完全相同的小线圈AB,处在外面线圈E里面的对称空间位置。小线圈AB其上的电流IAIB,大小相同、方向相反。

                         

   请教:

   小线圈AB受到磁力的大小是否严格相等?

                         

   于是,引出下面的问题。

                      

二、[请教] 无定向秤( astatic balance )的系统误差是多少?

reconstruccion-de-andre-marie-ampere-la-investigacion-del-comportamiento-de-una-.jpg

图6  安培的无定向秤( astatic balance )示意图

reconstruccion-de-andre-marie-ampere-la-investigacion-del-comportamiento-de-una-corriente-electrica-en-un-campo-magnetico-el-stand-de-ampere-un-arreglo-por-el-cual-un-bucle-de-alambre-se-suspendio-en-tazas-pequenas-.jpg

https://c8.alamy.com/compes/mr6hr5/reconstruccion-de-andre-marie-ampere-la-investigacion-del-comportamiento-de-una-corriente-electrica-en-un-campo-magnetico-el-stand-de-ampere-un-arreglo-por-el-cual-un-bucle-de-alambre-se-suspendio-en-tazas-pequenas-de-mercurio-para-que-pueda-girar-libremente-mientras-cada-extremo-esta-en-constante-contacto-electrico-con-una-bateria-andre-marie-ampere-1775-1836-fisico-y-matematico-frances-fecha-del-siglo-xix-mr6hr5.jpg

https://www.alamy.com/reconstruction-of-andr-marie-ampres-investigation-of-the-behaviour-of-an-electric-current-in-a-magnetic-field-ampres-stand-an-arrangement-whereby-a-loop-of-wire-is-suspended-in-small-cups-of-mercury-so-that-it-can-pivot-freely-while-each-end-is-in-constant-electrical-contact-with-a-battery-andr-marie-ampre-1775-1836-a-french-physicist-and-mathematician-dated-19th-century-image186386457.html

                                           

   这里请教的是,除了加工精度等常见原因,无定向秤( astatic balance )还有那些系统误差(systematic error)?

                                          

三、[请教] 1932年安德森的正负电子对照片,有没有别的解释?

pair production image source AT_7e_Figure_27_02c.jpg

图6  1932年著名的正负电子对照片 AT_7e_Figure_27_02c.jpg

https://pages.uoregon.edu/jimbrau/BrauImNew/Chap27/7th/AT_7e_Figure_27_02c.jpg

http://www.khadley.com/Courses/Astronomy/ph_207/topics/bigbang/

http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/lztcq/201004/t20100415_2823066.html

            

   1932年,安德森(Carl David Anderson, 1905-1991)、内德梅耶(Seth Neddermeyer, 1907-1988)在云室(cloud chamber,云雾室)拍摄的一个强磁场之中,宇宙射线进入云室后会留下轨迹迹的照片。

   这幅著名的正负电子对照片,有没有别的解释?

                                          

参考资料:

[1] 2023-08-04,安培的复现/reproduce of current SI unit/陆祖良,李正坤,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=192723&Type=bkzyb&SubID=139950

[2] 2022-01-20,安培/ampere/陈熙谋,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31272&Type=bkzyb&SubID=61954

[3] 2022-01-20,安培力/Ampère force/范宝新,陈熙谋,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31202&Type=bkzyb&SubID=61931

   通电导线在磁场中受到的作用力。

[4] 2022-12-23,洛伦兹力/Lorentz force/潘良儒,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=400173&Type=bkzyb&SubID=64006

   运动的带电粒子同时受到的电场和磁场的作用力,为荷兰物理学家H.A.洛伦兹首先提出,故得名。

[5] 2022-01-20,系统误差/systematic error/彭军还,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=90857&Type=bkzyb&SubID=79654

[6] 2022-04-27,加工系统误差/machine error/房丰洲,张效栋,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=71166&Type=bkzyb&SubID=64247

[7] Andre Marie Ampere Experiments, Animalia Life

https://animalia-life.club/qa/pictures/andre-marie-ampere-experiments  

[8] Reconstruction of André-Marie Ampère's investigation of the behaviour of an electric current in a magnetic field: Ampère's stand, an arrangement whereby a loop of wire is suspended in small cups of mercury so that it can pivot freely while each end is in constant electrical contact with a battery. André-Marie Ampère (1775-1836) a French physicist and mathematician. Dated 19th century, Alamy

https://www.alamy.com/reconstruction-of-andr-marie-ampres-investigation-of-the-behaviour-of-an-electric-current-in-a-magnetic-field-ampres-stand-an-arrangement-whereby-a-loop-of-wire-is-suspended-in-small-cups-of-mercury-so-that-it-can-pivot-freely-while-each-end-is-in-constant-electrical-contact-with-a-battery-andr-marie-ampre-1775-1836-a-french-physicist-and-mathematician-dated-19th-century-image186386457.html

[9] 中国科学院科学智慧火花,杨正瓴,2012-04-12 10:46,SI基本单位中安培定义的两种可能缺陷

http://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=4681  

[10] 中国科学院高能物理研究所,2010-04-15,云雾室

http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/lztcq/201004/t20100415_2823066.html

   云雾室也称云室(cloud chamber)是一种早期的核辐射探测器﹐也是最早的带电粒子径迹探测器。因发明者为英国物理学家威尔逊,一般称为威尔逊云室。威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson,1869-1959),1894年起研究云雾中的光学现象。1895年,他设计了一套设备,使水蒸气冷凝来形成云雾。当时普遍认为,要使水蒸气凝结,每颗雾珠必须有一个尘埃为核心。威尔逊发现:潮湿而无尘的空气膨胀时出现水滴。他认为这可能是水蒸气以大气中导电离子为核心而凝聚的结果。 

   1932年,安德森(Carl David Anderson,1905-1991)与内德梅耶(Seth Neddermeyer,1907-1988)将云室置入一个强磁场之中观察宇宙射线。宇宙射线进入云室后会留下轨迹,拍下轨迹的照片,即可用来进行分析。安德森当时每隔15秒钟使云室膨胀一次并拍摄照片。通过对1300张粒子轨迹照片的详细分析,发现有一种粒子的轨迹与当时已知的带电粒子的轨迹不一样。根据轨迹偏转的方向,可以判断这种粒子的电荷是正的,又根据轨迹曲率的大小,可推知这种粒子要比质子轻得多,且与电子的质量近乎相等。 

   安德森后来了解了狄拉克理论后才恍然大悟,他们所发现的上述粒子正是英国物理学家狄拉克(Paul A.M.Dirac,1902-1984)预言过的“反”粒子。正电子的发现是物理学发展史上的又一座里程碑。它说明了理论在认识末来世界中所起的巨大作用;更重要的这是人类第一次从实验上发现了反物质,是人类对物质世界认识的一大飞跃,也为物理学家探寻新的粒子指明了新的方向。由于安德森的这一重大发现,他获得了1936年的诺贝尔物理学奖。在安德森发现正电子后的短短几个月,布莱克特用他拍摄的正负电子成对产生过程的宇宙线径迹照片也有力地证实了正电子的存在。

                    

相关链接:

[1] 2024-06-16,[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(15):光压与“电磁波的刚性”

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1438456.html

[2] 2020-10-04,[优先权?] 中国人首先提出 SI 基本单位“安培”新定义?

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1253168.html

[3] 2020-10-03,[严肃内容] 2019年 SI 的新“安培定义”:我当初一些考虑

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1253079.html

[4] 2023-08-26,[求证] 世界范围的领先情况:互容;“半电路、半电磁场”电路;安培定义;SI 词头;低风速风机(刚体定轴转动定律)

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1400427.html

[5] 2023-07-27,[阶段小总结,要点,小结] “电磁学的实验再检验”相关博文要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396886.html

[6] 2023-07-14,“电磁学的实验再检验”:经典电磁学实验当代再检验的起因、意义要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396886.html  

[7] 2024-05-22,[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(14):判定实验原理(2):电场强度 E 是矢量吗?

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1435208.html 

[8] 2024-02-07,[求助] 电磁学的实验再检验(11):电磁相互作用依赖参照系吗?

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1420950.html

[9] 2024-01-26,[打听] “单光子”遇上“半反半透镜”:观察到什么现象?

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1419489.html

[10] 2023-10-26,[最主流,实体的物理实验波形] “费曼电容器充电”的电压波形观察

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1407363.html

                               

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