宏观旋转物体等效原理检验中陀螺旋转的影响

论文摘要

等效原理是爱因斯坦的广义相对论的一个基本假设,人们已经采用多种方法对等效原理进行实验检验。地面旋转扭秤法和地月测距方法在10-13 精度内验证弱等效原理依然成立。但就宏观旋转物体等效原理而言,到目前为止还是一个开放的课题。本实验室首次用自由落体激光干涉法检验了宏观旋转物体等效原理,实验精度达到10-7。实验主要受到陀螺内部摩擦耦合的影响,这可通过延长宏观旋转物体自由下落时间来减小陀螺内摩擦影响,随后课题组提出采用宏观旋转物体等效原理的扭秤方案实验检验。本文正是在这一课题背景基础上,开展宏观旋转物体等效原理预先研究,主要开展陀螺旋转对实验的影响研究,所做的工作概括如下: （1）对宏观旋转物体等效原理的扭秤方案进行了详细的理论分析,着重阐述了旋转地球对旋转陀螺的科氏力作用对扭秤系统的影响,并提出了用平衡摆锤产生重力回复力矩的方法来减小科氏力矩对实验的影响。（2）对旋转陀螺外部空间磁场进行了具体的测量,根据磁场的方向与大小可以将其等效为通电矩形线圈产生的磁场。通过计算可知,旋转陀螺产生的磁场与外界磁场相互作用对扭秤系统的影响有两部分,一是沿悬丝方向的力矩,最大为3. 6×10?1 2 N?m,一是垂直于悬丝方向的力矩,最大为3. 6×10?1 1 N?m,并且这两个力矩均以与陀螺旋转相同的频率变化。（3）利用光学原理测量旋转陀螺角速度随时间的衰减,根据角动量定理,可计算出陀螺转子与定子之间的摩擦力矩。实验结果表明,该摩擦力矩正比于陀螺的角速度,当陀螺旋转的角速度达到17000 rpm 时,陀螺内部摩擦力矩达到10-4 N m,相对于检验效应为10-12 N m 而言,这一大小对宏观旋转物体等效原理检验扭秤方案的预期精度给出了严格限制。本研究工作先后得到国家自然科学基金项目（10205005）,973 计划子课题（2003CB716304）的资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 等效原理的背景
• 1.2 等效原理实验检验综述
• 1.3 宏观旋转物体等效原理的实验检验
• 1.3.1 实验背景
• 1.3.2 实验简介
• 1.4 本人所做工作
• 2 等效原理实验检验扭秤方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 扭秤方案设计简介
• 2.3 理论分析
• 2.3.1 等效原理破缺因子的计算
• 2.3.2 科氏力矩对扭秤的影响计算
• 2.3.3 基于减小科氏力矩影响的扭秤设计
• 2.4 实验装置搭建
• 2.4.1 实验装置
• 2.4.2 扭秤制作
• 2.4.3 扭秤周期测量
• 2.4.4 实验中发现的问题
• 2.5 本章小结
• 3 旋转陀螺的外部磁场测量和效应分析
• 3.1 检验质量外部磁场的测量
• 3.2 检验质量外部磁场模型的建立
• 3.3 磁场对扭秤方案的影响
• 3.4 本章小结
• 4 陀螺内部摩擦力测量
• 4.1 陀螺内部摩擦力矩的测量
• 4.2 陀螺内部摩擦测量的数据分析
• 4.3 摩擦力矩对扭秤方案的影响
• 4.4 摩擦力矩对自由落体方案的影响研究
• 4.5 本章小结
• 5 下一步改进措施与总结
• 5.1 减小磁场影响的改进措施
• 5.2 减小陀螺内部摩擦影响的改进措施
• 5.3 下一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 硕士期间完成的论文