扭秤实验
探究力学的科学实验
扭秤实验是一种探究力学的科学实验。通过实验,库仑发现两点电荷之间静电力与距离平方成反比的规律;卡文迪许验证了牛顿万有引力定律的正确性,并测出了引力常量。
简介
在物理学发展的前期,人们对微弱作用的测量感到困难,因为这些微弱的作用人们通常都感觉不到。后来,物理学米歇尔想到了悬丝,要把一根丝拉断需要较大的力,而要使一根悬丝扭转,有一个很小的力就可以做到了。根据这个设想,法国物理学家库仑和英国的科学怪杰卡文迪许于1785年和1789年分别独立地发明了扭秤。扭秤实验可以测量微弱的作用,关键在于它把微弱的作用效果经过了两次放大:一方面微小的力通过较长的力臂可以产生较大的力矩,使悬丝产生一定角度的扭转;另一方面在悬丝上固定一平面镜,它可以把入射光线反射到距离平面镜较远的刻度尺上,从反射光线射到刻度尺上的光点的移动,就可以把悬丝的微小扭转显现出来。
验证万有引力
英国科学怪杰卡文迪许于1789年用他发明的扭秤,验证了牛顿万有引力定律的正确性,并测出了引力常量,卡文迪许的实验结果跟现代测量结果是很接近的,它使得万有引力定律有了真正的实用价值,卡文迪许也被人们称为第一个“能称出地球质量的人”。
牛顿的另一伟大贡献是他的万有引力定律,但是万有引力到底多大?
18世纪末,英国科学家亨利·卡文迪许决定要找出这个引力。他将小金属球系在长为6英尺(1英尺等于0.3048米)木棒的两边并用金属线悬吊起来,这个木棒就像哑铃一样。再将两个350磅(1磅等于0.4536千克)的铜球放在相当近的地方,以产生足够的引力让哑铃转动,并扭转金属线。然后用自制的仪器测量出微小的转动。测量结果惊人地准确,他测出了万有引力恒量的参数,万有引力常量约为G=6.67259x10^-11 (N·m^2 /kg^2)通常取G=6.67×10^-11(N·m^2/kg^2),在此基础上卡文迪什计算地球的密度和质量。卡文迪什的计算结果是地球的质量为6.0 x10^24kg。
验证库仑定律
法国物理学家库仑于1785年利用他发明的扭秤实验,测定了电荷之间的作用力。库仑在实验中发现静电力与距离平方成反比,同时他也认识到了静电力与电量的乘积成正比,从而得到了完整的库仑定律。库仑定律第一次打开了电的数学理论的大门,使静电学进入了定量研究的新阶段,也为泊松等人发展电学理论奠定了基础。库仑还曾用扭秤证明了地磁场磁针有力矩的作用,力矩大小与磁针对子午线偏斜角的正弦成正比,这构成了磁矩概念的基础。
库仑定律是一有关基本力的的定律,它的指数是否精确为2,关系到高斯定理是否正确,因此两百多年来,它的正确性不断经历着实验的考验。
库伦曾用扭秤装置做过大量实验工作,但值得注意的是,在精度方面远不如万有引力定律的扭秤实验。试验中的带电小球都是有限大的带电体,两带电体之间的距离不可能很大,,因此将两带电小球视为点电荷就不够精确,同时两球上的电荷分布互有影响,特别是两带电球之间的距离也无法精确测定,而且还存在漏电现象。因此设分母中r的指数为2+δ,库伦本人的实验误差是δ≤0.04,即库仑定律表示为F=[k*q(1)*q(2)]/r^(2±0.04)。英国科学家卡文迪许于1773年测得δ≤0.02。
后人曾改进实验装置来验证库仑定律。
由于万有引力定律于库仑定律之间的相似性,扭秤实验不失为一种同用的方法。
参考资料
最新修订时间:2024-09-17 13:20
目录
概述
简介
验证万有引力
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