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
牛顿的
万有引力定律的正确性,并测出了引力常量。
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。
英国科学怪杰
卡文迪许于1789年用他发明的
扭秤,验证了
牛顿的
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”。
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。
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
地磁场对
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。