伟大的物理学家- 卡文迪许

1、伟大的物理学家亨利 。卡文迪许第一个称量地球的人基本资料中文名称 亨利卡文迪许外文名称 HenryCavendish别名 亨利卡文迪什国籍 英国出生日期 1731年10月10日逝世日期 1810年2月24日职位 物理学家，化学家主要成就 证明了水并非单质发现了库仑定律和欧姆定 律被认为牛顿后英最伟大科学家之一代表作品 论人工空气、卡文迪什的电学研究1简介2生平3学术贡献4学业5化学研究6物理研究7相关实验8相关轶事简介亨利卡文迪许（Henry Cavendish，又译亨利卡文迪什，1731年10月10日1810年2月24日），18世纪英国物理学家、化学家。他首次对氢气的性质进行了细致的研究，证

2、明了水并非单质，预言了空气中稀有气体的存在。发现了库仑定律和欧姆定律，将电势概念广泛应用于电学，并精确测量了地球的密度，被认为是牛顿之后英国最伟大的科学家之一。亨利.卡文迪许是百万富翁。他一生从事于化学和物理学的研究。他发现了很多前人不知道的事物。亨利生性怪癖，沉默寡言，曾经有科学史家说：“他是有学问的人当中最富有的，也是富人当中最有学问的。”学术贡献卡文迪许公开发表的论文并不多，他没有写过一本书，在长长的50年中，发表的论文也只有18篇。除了一篇在1771年发表的论文是理论性的以外，其余的论文内容都是实验性和观察性的，大部分是关于水槽化学方面的，先后发表在1766年到1788年的英国皇家学会

3、的期刊上。又有一部分是关于液态物质凝固点的研究，发表于1783年到1788年。还有一部分是有关地球平均密度的研究，发表于1798年。在他逝世以后，人们发现他有大量文稿，一直藏着未经公开发表。这部分未发表的论文相当多，电学部分由19世纪的大物理学家马克斯维尔门教授整理后在1879年出版，化学和力学部分是由爱德华.普索于1921年主编出版的。1784年左右他研究了空气的组成，他还发现了硝酸。卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时，已年近七十。在物理学上他最主要的成就是通过扭秤实验验证了牛顿的万有引力定律，确定了引力常数和地球平均密度。 卡文迪许验证

4、万有引力定律的实验采用自己设计的“扭秤”为工具，后人称为著名的“卡文迪许实验”。 曾经有人说：“没有一个活到80岁的人，一生讲的话像卡文迪许那样少的了。”在一本书上，曾举出卡文迪许最怕交际的一件事例。有一天一位英国科学家携同一位奥地利科学家到班克斯爵士的家里做客，正巧卡文迪许也在座。班克斯便介绍他们相识。在互相介绍时，班克斯曾对这位远客盛赞卡文迪许，而这位初见面的客人更是对卡文迪许说出非常敬仰他的话，并说这次来伦敦的最大收获，就是专程拜访这位名震一时的大科学家。卡文迪许听到这话，起初大为忸怩，最后完全手足无措，便从人丛中冲出了室外，坐上他的马车赶回家去了。从这段记载可以看出卡文迪许为人性格孤僻

5、。卡文迪许离开剑桥大学后，就跟父亲旁听英国皇家学会的会议，每个星期四中午，参加学会的聚餐。到了1760年他被选为皇家学会会员。一直到现在，在英国，凡是有FSR(皇家学会会员）头衔的人，还是受到人们的尊敬。英国皇家学会（The Royal Society） 全称“伦敦皇家自然知识促进学会”， 是英国最具名望的科学学术机构，成立于1660年，并于1662年、1663年、1669年领到皇家的各种特许证。其成员在尖端科学方面饶有贡献。该学会多方面支持不少英国的年轻顶尖科学家、工程师及科技人才。该学会对科学政策的制定起着一定作用，而且也就科学事务问题参与公众讨论。学会宗旨是促进自然科学的发展，它是世界上

6、历史最长而又从未中断过的科学学会，在英国起着全国科学院的作用。生平亨利.卡文迪许生于1731年10月10日，那时他的母亲正在法国休养，所以他生在法国南部。他是在牛顿病故四年后出生的，他读过牛顿的全部著作，一生最佩服牛顿的学识和为人。卡文迪许的父亲是当时有名的学者，所以，卡文迪许从小就得到父亲的鼓励，希望他在学术上能有所成就。11岁的时候，他被送到当时著名的贵族中学学习了8年之久。到1749年，他18岁，进了剑桥大学，一直到1753年，他22岁，因为不赞成剑桥大学的宗教考试，所以没取得任何学位，他离开了大学，在18世纪时，还没有公家办的实验室。卡文迪许在自己家里装备了一座规模相当大的实验室，他终

7、身在自己家里做实验工作。他一生没有结婚，过着独身生活。接下来他在1783年研究了空气的组成成分，做了很多试验，发表的论文的题目是“空气试验”。也就是这个时候，他发现水是由氢和氧两种元素组成的。卡文迪许最后的一项研究，是关于地球平均密度的问题。他提出的数字是5.448克/厘米，现在公认的是5.48克/厘米。这说明当时试验已经相当准确。他还有一项工作，是过了100年以后，才得到承认的，那就是关于稀有元素的存在问题。学业卡文迪什家族是一个历史很悠久的英国贵族家庭。1731年查尔斯卡文迪什和他妻子，肯特公爵的女儿安妮在尼斯疗养，10月亨利卡文迪什在尼斯诞生。卡文迪什从小接受良好的家庭教育，11岁进入很

8、有名的海克雷学院。1749年11月进入剑桥大学的圣彼得学院，但因不满当时剑桥刻板的学习和学位制度而于1753年2月退学，查尔斯卡文迪什对儿子退学而没有获得应得的学位而愤怒，并决定每年只给他120镑的零用钱。卡文迪什在欧洲大陆旅行一段时间后即定居伦敦，自己购买书籍和实验仪器，开始了他长达50余年的科学探索。 化学研究卡文迪什在1766年发表了他的第一篇论文论人工空气“人工空气”一词为波义耳首创，用来指存在在某种物质中，通过化学反应可以释放出来的气体。如普利斯特里通过碳酸盐与酸反应生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在严格保持温度和压强条件的前提下，对当时已知的各种气体的物理性质，特别是密度进行了严谨

9、而细致的研究，这篇文章使他获得英国皇家学会的科普利奖章。 卡文迪什敏锐地注到了，生成的水中有少量的硝酸存在。他认为这是反应用的氧气中含有新物质（主要是氮气）的原因。1785年卡文迪什在氧气和空气混合物中引入电火花，使得空气中的氧气和氮气化合，然后用氢氧化钠溶液来吸收生成的氮氧化物，发现空气中残留下一小部分，大约1/120，无法与氧气反应生成化合物被氢氧化钠吸收。经过几百次的实验和分析，他得出在今天看来都很精确的结论，空气中有20.833%的体积是脱燃素空气（现在测量值是氧气占20.95%）和79.167%的燃素空气，在燃素空气中有空气总体积的1/120的不易和其他气体反应的浊气。一直到1894

10、年瑞利和拉姆赛发现稀有气体氩，才证实了卡文迪什的推测。在拉瓦锡提出氧化说，卡文迪什赞成氧化说的简洁，认为这有利化学的发展，但也不愿轻易放弃自己一直采用的燃素说，随后他将自己的研究重点转向了物理学领域。 物理研究卡文迪什在室外用望远镜观测扭秤卡文迪什在电学上进行了大量重要而不为人知的研究。他在1777年向皇家学会提交论文，认为电荷之间的作用力可能呈现与距离的平方成反比的关系，后来被库仑通过实验证明，成为库仑定律。他和法拉第共同主张电容器的电容会随着极板间的介质不同而变化,提出了介电常数的概念，并推导出平板电容器的公式。他第一个将电势概念大量应用对电学现象的解释中。并通过大量实验，提出了电势与电流

11、成正比的关系，这一关系1827年被欧姆重新发现，即欧姆定律。卡文迪什对电学的研究基本都没有发表，詹姆斯克拉克麦克斯韦的最后五年致力于对卡文迪什个人实验记录的整理，于1879年出版了麦克斯韦注释的，卡文迪什在电学上成果才使世人知晓。1797年卡文迪什完成了对地球密度的精确测量。他使用的装置是约翰米切尔设计，但米切尔本人不久去世，将装置遗留给了沃拉斯顿，后被转送给卡文迪什。装置是由两个重达350磅的铅球和扭秤系统组成。为了消除气流干扰，卡文迪什将装置安装在一个不透风的房间，自己则在室外用望远镜观测扭矩的变化。之后他向皇家学会提交报告，给出了目前看来仍然比较精确的地球密度值。这一测量被称为开创了“弱

12、力测量的新时代”。很多文章称卡文迪什求出了万有引力常量，实际上卡文迪什当时只关心地球的密度，并没有涉及其他。而采用卡文迪什的测量结果通过计算可以求出万有引力常量和地球的质量。相关实验十八世纪后期，在牛顿第一个指出行星的运动是怎样依赖于太阳质量之后一百多年，卡文迪许发现测量引力常数G的方法。在卡文迪许完成他的实验以前，天体的绝对质量是不能精确地测定的，只能由行星的卫星轨道来决定行星质量的相对值。 在卡文迪许的实验中利用了一个扭秤，典型的设计可由一根石英纤维悬挂一根载有质量为m1及m2的两个小球的杆而组成，如图3.6a所示。每个小球距石英纤维的距离L相等。当一个小的可测量的扭矩加在这个系统上时，在

13、石英丝上可以引起扭转，记下这个扭转值可以标定扭秤。我们可以利用这个扭矩，它是由具有恒定的、作用力已知的弹簧在m2的位置上施加一个水平的力而组成。从质量M的测量所得的偏离，再根据上面所说到的，由石英丝旋转大小而取得的扭秤的标定，我们可以决定N之值。由于我们可以测量N，L，r1，r2以及所有不同物体的质量，现在在方程(3.48)中除了G以外，所有量都是已知的，于是可从方程(3.48)直接决定G，其值为G=6.710(-8)达因厘米2克-2。(AB表示A的B次方)一旦G的值已知，利用开普勒第三定律，方程(3.47)可以立即决定太阳的质量。开普勒第三定律实际上是包含太阳及行星的总质量M的，但是对不同行

14、星进行计算后，我们可以证实，太阳的质量很接近于M，而行星的质量仅约为0.0013M，在近似计算中可以忽略。利用已知的月球轨道及相似的方法，可以导得地球的近似的质量。这一实验的构思、设计与操作十分精巧，英国物理学家J.H.坡印廷曾对这个实验下过这样的评语：“开创了弱力测量的新时代”。由于其家庭地位和父母留给他的大量财产，使得他曾是伦敦银行的最大储户，但他心思专注在科学研究中,对于财产，他几十年都只让投资顾问买一种股票，不论涨跌。有位法国科学家曾说“卡文迪什是最有学问的人中最富有的，也許是最富有的人中最有学问的。同时，他的性格很奇特，之所以用“奇特”这个词，正说明他与常人的不同。性格卡文迪许的性格

15、非常内向和孤僻。据说有一次，卡文迪许在班克斯爵士家中作客，一位奥地利来的科学家当面奉承了卡文迪许几句，卡文迪许听到这些话，起初大为忸怩，继而手足无措，终于从人丛中冲出室外，坐上马车回家去了。卡文迪许不善言辞，很不喜欢那些慕名而来的客人打扰他的研究工作。当他迫不得已奉陪客人时，常常盯住天花板，脑子里思索着自己实验中的问题，一言不发，为此往往使客人尴尬扫兴。据说科学家当中，最了解卡文迪许的脾气而可和他交谈的，要算武拉斯顿博士了，因为他有一种“对空谈话法”。他说：“和卡文迪许谈话，最好不要看他，而是要把头仰起，两眼望着天，恍若对着空间谈话一般，这样一来，你就可以滔滔不绝地长篇大论了。”由于其家庭地位

16、和父母留给他的大量财产，使得他曾是伦敦银行的最大储户，但他心思专注在科学研究中,对于财产，他几十年都只让投资顾问买一种股票，不论涨跌。有位法国科学家曾说“卡文迪什是最有学问的人中最富有的，也許是最富有的人中最有学问的。同时，他的性格很奇特，之所以用“奇特”这个词，正说明他与常人的不同。卡文迪许还有一个怪脾气，就是从不同女人接近，他终生未娶，每天写好菜单放在餐桌上，待他走后，女仆才进来，按菜单做好饭菜，待仆人离开后，才进来吃饭。而且，卡文迪许始终没有想过恋爱、结婚，一生独身，甚至特别忌讳看到女人的面孔。卡文迪许家里雇有女佣，他就约法三章，严格地命令他们不要到他所能看到的地方去。有一次，卡文迪许下

17、楼，与一个刚上楼的女仆相遇，这下可把卡文迪许气坏了，立即叫人专门给女仆修了一个楼梯，以免再发生类似的不愉快事情。在他家里服务多年的女仆，从经济上得到过主人的许多好处，但当别人问起她们的主人是什么模样时，竟然都呆若木鸡，一无所知。相关轶事身着天鹅绒大衣的卡文迪什，大卫亚力山大画，据说为作家暗中偷画的卡文迪什沉默寡言，不善交际，对于卡文迪什的生平主要来源于物理学家汉弗莱戴维和其他一些朋友的记载，同时也流传着不少传说。据记载，卡文迪什长年穿着一件褪色的天鹅绒大衣，戴当时已经少见的三角帽，性格独特，说话显得犹豫和困难，而面对女士和陌生人会很羞涩而避免和他们说话。他非常喜欢独自沉思，甚至很少和自己的仆人

18、见面，一般只会在桌子上留下字条说明自己晚餐要吃什么，常常是“一只羊腿”。卡文迪什终生未婚，唯一的社会活动就是参加皇家学会俱乐部的两周一次的会议。他对没有研究透彻的东西从不发表，所以尽管他一生只提交过不足20篇论文，却获得了皇家学会成员的一致尊重。虽然卡文迪许对女人那么不喜欢，但对书籍和科学研究却情有独衷。卡文迪许在伦敦有三处房屋：第一处靠近英国博物馆，其中主要放着图书和仪器，第二处放着专门的重要图书，第三处在克拉法姆公寓，是卡文迪许最喜欢住的地方，后来这里改作他的工作室和实验室，为了便于随时都进行实验，他不仅把客厅改成了实验室，并且在卧室的床边都安装了许多实验仪器。他十分珍惜自己的大量藏书，整

19、理得井井有条，无论别人向他借阅，或自己在书架上取走一本书，都要严格办理登记手续，书从哪儿取下，必须仍旧归还原处。卡文迪许虽然爱好孤独的生活，但对于别人所作的研究工作却是很感兴趣，例如，他曾将一些钱送给青年科学家戴维作实验之用，有时还亲自跑到皇家学会去参加戴维的分解碱类的实验。电学研究与称量地球卡文迪许于1773年底前就完成了一系列的静电实验，可是他没有发表那些重要。当时发表的两篇论文，只包括了一些次要的部分。100年之后，剑桥大学物理学教授的麦克斯韦发现和整理了卡文迪许在1771年至1781年间的实验论文，才以尊敬的卡文迪许的电学研究为题于1879年出版。麦克斯韦指出“这些论文证明卡文迪许几乎

20、预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界”；卡文迪许还深入地研究了电容器的电容量。他用“电时”表示相同电容器的球体的电容。卡文迪许曾把49个莱顿瓶组成电容器组，发现它含有321，000“电时”的电容（约1/2微法）；他曾测了几种物质的电容率，例如，他得出石蜡的电容率为1.81到2.47，而现在对石蜡的电容率为2.1；卡文迪许用实验揭示了静电荷分布在导体表面的性质，还用实验精确地验证了点电荷之间的静电力跟距离的平方成反比的规律，并确认至少不会与这个比率相差1/50以上；1781年，他进行了相当于预测欧姆定律的探讨。100多年前，牛顿通过天文观测和数学

21、推导，成功地论证了万有引力定律。但是怎样才能确定万有引力是否适用于所有物体呢？直接的办法是用实验的方法精确测定各物体间的相互吸引力。可是由于一般物体间的相互吸引力是非常小的，因此很难精确确定。卡文迪许设计了一个扭秤，巧妙地解决了这个难题。这个扭秤就被称为“卡文迪许扭秤”。卡文迪许在1798年通过扭秤实验验证了万有引力定律，并确定了引力常数和地球的平均密度，成为第一个测量地球的人。热现象研究和气体研究卡文迪许还研究了热现象。他通过硫磺、玻璃的试验，发现它们在质量相等、吸热相等的情况下温度的变化都不一样，这一结论成为后来比热定律发现的根据。卡文迪许在化学方面也取得了很大的成就。在1766年发表的人造气体一文中指出，氢是作为一种独特的物质而存在的，并用实验证明了氢能够燃烧。他