扭秤實驗

扭秤實驗是一種探究力學的科學實驗。通過實驗，庫侖發現兩點電荷之間靜電力與距離平方成反比的規律；卡文迪許驗證了牛頓的萬有引力定律的正確性，並測出了引力常量。

基本介紹

• 中文名：扭秤實驗
• 外文名：Torsion balance experiment
• 提出者：卡文迪許
• 提出時間：1789年
• 套用學科：萬有引力定律
• 適用領域範圍：萬有引力定律的驗證
• 適用領域範圍：三維宇宙

簡介

在物理學發展的前期，人們對微弱作用的測量感到困難，因為這些微弱的作用人們通常都感覺不到。後來，物理學家們想到了懸絲，要把一根絲拉斷需要較大的力，而要使一根懸絲扭轉，有一個很小的力就可以做到了。根據這個構想，法國物理學家庫侖和英國的科學怪傑卡文迪許於1785年和1789年分別獨立地發明了扭秤。扭秤實驗可以測量微弱的作用，關鍵在於它把微弱的作用效果經過了兩次放大：一方面微小的力通過較長的力臂可以產生較大的力矩，使懸絲產生一定角度的扭轉；另一方面在懸絲上固定一平面鏡，它可以把入射光線反射到距離平面鏡較遠的刻度尺上，從反射光線射到刻度尺上的光點的移動，就可以把懸絲的微小扭轉顯現出來。

驗證萬有引力

英國科學怪傑卡文迪許於1789年用他發明的扭秤，驗證了牛頓的萬有引力定律的正確性，並測出了引力常量，卡文迪許的實驗結果跟現代測量結果是很接近的，它使得萬有引力定律有了真正的實用價值，卡文迪許也被人們稱為第一個“能稱出地球質量的人”。

牛頓的另一偉大貢獻是他的萬有引力定律，但是萬有引力到底多大？

18世紀末，英國科學家亨利·卡文迪許決定要找出這個引力。他將小金屬球系在長為6英尺（1英尺等於0.3048米）木棒的兩邊並用金屬線懸吊起來，這個木棒就像啞鈴一樣。再將兩個350磅（1磅等於0.4536千克）的銅球放在相當近的地方，以產生足夠的引力讓啞鈴轉動，並扭轉金屬線。然後用自製的儀器測量出微小的轉動。測量結果驚人地準確，他測出了萬有引力恆量的參數，萬有引力常量約為G=6.67259x10^-11 (N·m^2 /kg^2)通常取G=6.67×10^-11（N·m^2/kg^2)，在此基礎上卡文迪什計算地球的密度和質量。卡文迪什的計算結果是地球的質量為6.0 x10^24kg。

驗證庫侖定律

法國物理學家庫侖於1785年利用他發明的扭秤實驗，測定了電荷之間的作用力。庫侖在實驗中發現靜電力與距離平方成反比，同時他也認識到了靜電力與電量的乘積成正比，從而得到了完整的庫侖定律。庫侖定律第一次打開了電的數學理論的大門，使靜電學進入了定量研究的新階段，也為泊松等人發展電學理論奠定了基礎。庫侖還曾用扭秤證明了地磁場對磁針有力矩的作用，力矩大小與磁針對子午線偏斜角的正弦成正比，這構成了磁矩概念的基礎。

庫侖定律是一有關基本力的的定律，它的指數是否精確為2，關係到高斯定理是否正確，因此兩百多年來，它的正確性不斷經歷著實驗的考驗。

庫倫曾用扭秤裝置做過大量實驗工作，但值得注意的是，在精度方面遠不如萬有引力定律的扭秤實驗。試驗中的帶電小球都是有限大的帶電體，兩帶電體之間的距離不可能很大，，因此將兩帶電小球視為點電荷就不夠精確，同時兩球上的電荷分布互有影響，特別是兩帶電球之間的距離也無法精確測定，而且還存在漏電現象。因此設分母中r的指數為2+δ，庫倫本人的實驗誤差是δ≤0.04，即庫侖定律表示為F=[k*q(1)*q(2)]/r^(2±0.04)。英國科學家卡文迪許於1773年測得δ≤0.02。

後人曾改進實驗裝置來驗證庫侖定律。

由於萬有引力定律於庫侖定律之間的相似性，扭秤實驗不失為一種同用的方法。