卡文迪许扭秤实验

“库仑扭秤”与“卡文迪许扭秤”作者：刘立军来源：《物理教学探讨》2010年第05期摘要:库仑扭秤与卡文迪许扭秤实验都实现了微小力的测定,并且论证了引力和电力的平方反比规律。

本文分别对两位科学家的实验作了较详细的介绍,通过比较使大家对微小力的测定和库仑定律的得来有更进一步的认识。

关键词:库仑扭秤;卡文迪许扭秤中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2010)5(S)-0010-3库仑扭秤与卡文迪许扭秤实验都实现了微小力的测定,并且证明了引力和电力的平方反比规律。

两者都以其结构简捷、设计精巧、测定准确而著称于世,两位科学家和两个实验之间又有着有趣的历史渊源。

鉴于此本文整理介绍如下:1785年,法国物理学家库仑(C. A. Coulomb,1736-1806))用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。

库仑在实验中,用一个直径和高均为12英寸的玻璃圆缸,上面盖一块玻璃板,盖板中间有孔(如图1示)。

孔中装一根玻璃管,管高约为24英寸,在玻璃管的上端装有测定扭转角度的测微计,并悬一根银丝穿过管伸进玻璃缸内,悬丝下端系在一长度小于12英寸的横杆正中,横杆的一端为木质小球,另一端贴一小纸块,以配重平衡使横杆始终处在水平状态。

玻璃圆筒上刻有360个刻度,使悬丝自由松开时,横杆上小木球指零。

然后他使另一固定在底盘上的小球带电,再让两个小球接触后分开,以致两个小球均带同种等量电荷,便互相排斥。

带电的木质小球受到的库仑斥力产生力矩使横杆旋转,悬丝也跟着发生了扭转形变,产生扭转力矩。

因为悬线很细,很小的力作用在球上就能使棒显著地偏离其原来位置。

当悬丝的扭转力矩和库仑力力矩相平衡时,横杆处于静止状态。

库仑改变底盘上带电球和横杆上带电小球之间的距离,作了三次记录:第一次,两球相距36个刻度,测得银丝的旋转角度为36度。

第二次,两球相距18个刻度,测得银丝的旋转角度为144度。

第三次,两球相距8.5个刻度,测得银丝的旋转角度为575.5度。

卡文迪许扭秤实验法
卡文迪许用一根39英寸的镀银铜丝，吊起一根6英尺长的木杆，在杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球，另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们。

如果能够测出铅球间引力引起的摆动周期，由此计算出两个铅球的引力，就能够推算出地球的质量和密度。

可是，在卡文迪许的实验室里，根本没有那么精确的度量仪器。

两个一公斤重的铝球相距十公分时，相互之间引力只有百万分之一克。

即使空气中的飘尘，也能干扰它的准确度，这怎么能够测量呢？一连几天，卡文迪许都把自己关在实验室里，整天冥思苦想。

走在半路上，他看到几个小孩子，正在作一种有趣的游戏：他们每人手里拿着一面小镜子，用来反射太阳光，互相照着玩。

镜子只要稍一转动，远处光点的位置就发生很大变化。

“真有意思！”看着那些活泼的孩子，卡文迪许想。

突然之间，他茅塞顿开。

他掉头跑回实验室，对自己的实验装置进行了一番革新。

他把一面小镜子固定在石英丝上，用一束光线去照射它。

光线被小镜子反射过来，射在一根刻度尺上。

这样，只要石英丝有一点极小的扭动，反射光就会在刻度尺上明显地表示出来。

扭动被放大了！实验的灵敏度大大提高了，这就是著名的“扭秤”实验法。

经典物理学实验——库仑扭秤实验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，物理学家们想到了悬丝，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家卡文迪许于1785年和1789年分别独立地发定角度的扭转；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。

一、库仑与库仑定律查利·奥古斯丁·库仑（1736 --1806），法国工程师、物理学家。

1736年6月14日生于法国昂古莱姆。

1806年8月23日在巴黎逝世。

主要贡献有扭秤实验、库仑定律、库伦土压力理论等。

同时也被称为“土力学之始祖”。

电荷的单位库仑就是以他的姓氏命名的，简称库，符号C。

若导线中载有1安培的稳定电流，则在1秒内通过导线横截面积的电量为1库仑。

库仑曾就学于巴黎马扎兰学院和法兰西学院，服过兵役。

1774年当选为法国科学院院士。

1784年任供水委员会监督官，后任地图委员会监督官。

1802年，拿破仑任命他为教育委员会委员，1805年升任教育监督主任。

1773年发表有关材料强度的论文，所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用至今(2018)，是结构工程的理论基础。

1777年开始研究静电和磁力问题。

当时法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的磁针问题。

库仑认为磁针支架在轴上，必然会带来摩擦，提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。

研究中发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系，从而可利用这种装置测出静电力和磁力的大小，这导致他发明扭秤。

他还根据丝线或金属细丝扭转时扭力和指针转过的角度成正比，因而确立了弹性扭转定律。

他根据1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论，于1781年发现了摩擦力与压力的关系，表述出摩擦定律、滚动定律和滑动定律。

引力常量的测定——卡文迪许扭秤实验牛顿认为公式中的引力常数G是普适常数，不受物体的形状、大小、地点和温度等因素影响，引力常数的准确测定对验证万有引力定律将提供直接的证据。

英国物理学家卡文迪许（H.Cavendish 1731-1810）根据牛顿提出的直接测量两个物体间的引力的想法,采用扭秤法第一个准确地测定了引力常数。

卡文迪许实验所用的扭秤是英国皇家学会的米歇尔神父制作的。

米歇尔制作扭秤的目的是为了测定地球的密度，并与卡文迪许讨论过这一问题。

但是，米歇尔还未用它来进行测定，便去世了。

米歇尔去世后，这架仪器几经辗转传到了剑桥大学杰可逊讲座教授沃莱斯顿神父手里，他又慷慨地赠送给了卡文迪许，这时卡文迪许已是年近古稀的老人了。

卡文迪许首先根据自己实验的需要对米歇尔制作的扭秤进行的分析，他认为有些部件没有达到他所希望的方便程度，为此，卡文迪许重新制作了绝大部分部件，并对原装置进行了一些改动。

卡文迪许认为大铅球对小铅球的引力是极其微小的，任何一个极小的干扰力就会是实验失败。

他发现最难以防止的干扰力来自冷热变化和空气的流动，为了排除误差来源，卡文迪许把整个仪器安置在一个关闭房间里，通过望远镜从室外观察扭秤臂杆的移动。

扭秤的主要部分是一个轻而坚固的T形架，倒挂在一根金属丝的下端。

T形架水平部分的的两端各装一个质量是m的小球，T形架的竖直部分装一面小平面镜M，它能把射来的光线反射到刻度尺上，这样就能比较精确地测量金属丝地扭转。

实验时，把两个质量都是m'地大球放在如图所示的位置，它们跟小球的距离相等。

由于m受到m'的吸引，T形架受到力矩作用而转动，使金属丝发生扭转，产生相反的扭转力矩，阻碍T形架转动。

当这两个力矩平衡时，T形架停下来不动。

这时金属丝扭转的角度可以从小镜M反射的光点在刻度尺上移动的距离求出，再根据金属丝的扭转力矩跟扭转角度的关系，就可以算出这时的扭转力矩，进而求得m与m'的引力F。

卡文迪许扭秤实验_关于卡文迪许扭矩实验的质疑与探讨摘要：根据物体旋转实验，说明地球表面物体的扭转性是客观存在的，加上卡文迪许扭矩实验对器材选用的片面性，证明了卡文迪许扭矩实验的实施是具有主观性和不完善的，甚至具有虚假性。

关键词：物体旋转实验；卡文迪许扭矩实验；主观性；不完善；虚假性Abstract：AccordingtotheObjectRotationEent,,,CanentationontheCavend ishtorqueeentissubjectivityandiment,Cavendishtorqueeent,s ubjectivity,imperfect,false朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典引言：由《地震浅析与抗震《自由运动论》在实际中的应用（3）》的理论可知，地球表面物体自身就具有扭转性，同时根据万有引力的概念，卡文迪许扭矩实验在器材的使用上具有片面性。

因而，本文对卡文迪许扭矩实验提出了几方面的质疑。

根据一个简单的物体扭转实验证明了地球表面物体（高纬度区）都具有扭转性质是客观存在的，从而证明了本文对卡文迪许扭矩实验的质疑是正确的。

即卡文迪许扭矩实验是不完善的，甚至具有虚假性。

一、对卡文迪扭矩实验的质疑（一）实验现象的质疑卡文迪许扭矩实验是在确信万有引力是客观存在的，而且也没有考虑到地球的自转对地球表面物体的影响的前提下进行的。

假设地球表面物体自身在水平平面内就具有扭转性，那么卡文迪许扭矩实验就是可以被质疑的。

根据《地震浅析与抗震《自由运动论》在实际中的应用（3）》的理论可知，地球表面高纬度区上的物体自身都具有扭转性，只不过由于物体和地面的摩擦力的存在，没有显示出外在的扭转现象而已。

由以下物体旋转实验就可以证明物体的这种扭转性。

实验：：细线一根，任意物体一个。

：用细线的任意一端系住物体，平稳的提起离开地面。

：物体离开地面后开始旋转。

：（1）细线的粗细选用要适当。

相对于物体的重量，线不能太细，太细会绷得太紧，太紧导致抗扭性相对增大；也不能太粗，太粗肯定抗扭性大。

库仑扭秤实验和卡文迪许扭秤实验原理和注意事项库仑扭秤实验和卡文迪许扭秤实验，这两个名字听起来就很高大上，让人想起了那些神秘的科学家们。

其实，这两个实验都是用来测量物体的质量的。

那么，它们到底是怎么工作的呢？我们又该注意什么呢？今天，我就来给大家讲讲这两个实验的原理和注意事项。

我们来看看库仑扭秤实验。

这个实验的名字来源于法国物理学家皮埃尔·德·库仑。

他发现，两个电荷之间的相互作用力与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。

这个发现被称为库仑定律。

而库仑扭秤实验就是用来测量这个定律的。

那么，库仑扭秤实验是怎么进行的呢？其实，它就是一个简单的杠杆系统。

我们把一个轻质的小球放在一个长杆的一端，然后在另一端挂上一个重物。

当我们用另一个小球去拉动长杆时，就会对重物产生一个力矩，从而改变它的方向或位置。

通过测量这个力矩，我们就可以计算出小球的质量了。

这个过程需要很多次重复，才能得到比较准确的结果。

接下来，我们再来看看卡文迪许扭秤实验。

这个实验的名字来源于英国物理学家亨利·卡文迪许。

他利用这个实验成功地测量出了地球的万有引力常数。

所以说，这个实验也是非常重要的一个实验。

那么，卡文迪许扭秤实验又是怎么做的呢？其实，它和库仑扭秤实验非常相似。

我们同样需要一个杠杆系统来测量物体的质量。

只不过，这次我们需要测量的是地球的质量。

为了实现这个目标，卡文迪许设计了一个非常巧妙的方法。

他先用一根很长的钢缆把一个小球系在一个巨大的钟摆上。

然后让钟摆在一定的频率下摆动。

当钟摆运动时，钢缆就会拉伸或压缩。

通过测量钢缆的长度变化，我们就可以计算出地球的质量了。

这个方法之所以能够成功，是因为地球对它的引力作用是非常微弱的，几乎可以忽略不计。

好了，现在我们已经知道了库仑扭秤实验和卡文迪许扭秤实验的原理。

那么，我们在进行这两个实验的时候，又该注意什么呢？这里有几个小建议：第一，要保持实验环境的稳定。

因为实验中涉及到了很多物理量的变化，所以一旦环境发生变化，就可能导致结果的不准确。

卡文迪许扭秤实验原理
实验原理：
实验装置：
实验步骤：
1.将试样夹持在扭转秤上，使其能够自由扭转。

2.首先，给试样施加一个较小的扭转力矩，使其产生弹性扭转变形，此时记录变形角度和扭转力矩。

3.逐渐增加扭转力矩，重复步骤2，记录不同扭转力矩下的变形角度和扭转力矩。

4.根据变形角度和扭转力矩的变化关系，得出扭转角和扭转力矩的线性关系。

5.利用胡克定律的公式，根据扭转角度、试样尺寸和材料几何形状计算出材料的扭转模量。

工作原理：
其中，τ表示扭转力矩，G表示扭转模量，θ表示单位长度处的扭转角，L为试样长度，Φ为试样横截面的惯性矩。

实验中扭转力矩和扭转角都可以测量得到，通过测量得到的扭转角和扭转力矩，利用上述公式可以计算出材料的扭转模量。

此外，还可以通过变形角度和扭转力矩的线性关系计算出试样材料的切应力、切应变和极限剪应力等参数。

总结：
卡文迪许扭秤实验是一种测定材料扭转模量的常用方法，它通过施加扭转力矩使材料发生扭转变形，并根据变形角度和扭转力矩的关系计算出扭转模量。

这个实验具有简单、直观和准确的特点，被广泛应用于材料力学和工程实验中。

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卡文迪许扭秤实验原理
卡文迪许扭秤实验原理是利用扭转力矩的大小和方向来测量物
体的力学性质的一种实验方法。该实验通常用于测量弹性模量，也可
以用于测量切变模量和黏度等物理量。
实验装置由一根纤细的金属棒和一组可旋转的圆盘组成。将被测
物体夹在金属棒的两端，当旋转圆盘时，金属棒将受到扭转力矩。根
据传统的牛顿力学定律，扭转力矩与被测物体的形变程度成正比，而
与物体的长度、形状和质量无关。
在实验中，通过测量扭转角度和扭转力矩的大小，可以计算出物
体的弹性模量。弹性模量是描述物体抵抗形变的能力的物理量，通常
用于描述固体的弹性性质。
卡文迪许扭秤实验具有简单、精确、快速等优点，被广泛应用于
材料学、力学、物理学等领域的研究和实验中。

卡文迪许与卡文迪许扭秤实验程光洪、次珍一、卡文迪许简介卡文迪许(Henry Cavendish,1731～1810年)英国化学家、物理学家。

1731年10月10日生于法国尼斯。

1742—1748年他在伦敦附近的海克纳学校读书。

1749—1753年期间在剑桥彼得豪斯学院求学。

在伦敦定居后，卡文迪许在他父亲的实验室中当助手，做了大量的电学、化学研究工作。

他的实验研究持续达50年之久。

1760年卡文迪许被选为伦敦皇家学会成员，1803年又被选为法国研究院的18名外籍会员之一。

1810年3月10日，卡文迪许在伦敦逝世，终身未婚。

与伽利略和开普勒等科学家不同，卡文迪许非常富有，从不为自己的生存而担心。

略玩笑的说：“他是一切有学问的人当中最富有的，一切富有的人当中最有学问的”。

与众多的科学家一样，卡文迪许具有很多怪癖的性格。

据说卡文迪许很有素养，但是没有当时英国的那种绅士派头。

他不修边幅，几乎没有一件衣服是不掉扣子的；他不好交际，不善言谈，终生未婚，过着奇特的隐居生活。

卡文迪许为了搞科学研究，把客厅改作实验室，在卧室的床边放着许多观察仪器，以便随时观察天象。

他从祖上接受了大笔遗产，成为百万富翁。

不过他一点也不吝啬。

有一次，他的一个仆人因病生活发生困难，向他借钱，他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票，还问够不够用。

卡文迪许酷爱图书，他把自己收藏的大量图书，分门别类地编上号，管理得井井有序，无论是借阅，甚至是自己阅读，也都毫无例外地履行登记手续。

卡文迪许可算是一位活到老、干到老的学者，直到79岁高龄、逝世前夜还在做实验。

卡文迪许一生获得过不少外号，有“科学怪人”，“科学巨擘”，“最富有的学者，最博学的富豪”等。

另外，卡文迪许最厌恶和害怕两件事物，一是奉承，他听到奉承的话常常十分窘迫、不知所措：一是女人，他最怕和女人接触，所以终生未婚，而且他每天和女管家之间都用纸条来联系。

卡文迪许的一生，一心扑在科学研究上面。

他一生经常涉足的地方只有两处，一是英国皇家学会的聚会，二是在参加班克斯爵士每星期日晚上宴请各科学家的聚会。

卡文迪许扭秤实验对现代科学研究的启示卡文迪许扭秤实验是一项重要的实验，改变了一个重要的科学研究的方向，并使我们对宇宙的认识取得了重大突破。

1798年，卡文迪许发现，交流电力可以引起磁体的扭曲。

由于这个发现，现代科学家们得以研究出磁体，光和电波的等离子体特性，使人们能够研究到大规模的自然现象，并建立起各种理论，改变了宇宙的认知。

卡文迪许的扭秤实验也改变了后来科学研究的方向。

由于这个实验，人们不再只是收集实验数据，而是研究实验的规律。

随着科学家们对实验的深入研究，他们发现，实验结果不一定是直接可见的，而是从实验中观察到的某种规律。

例如，由于实验发现，磁力会随着电流的变化而改变，由此，科学家们发现了磁场一种物理量，在磁场中就可以观察到磁力的变化。

由此，科学家们又进一步发现了磁力作用于电流的相互作用电磁学原理，这也成为了现代科学的基础。

最后，卡文迪许的扭秤实验还让现代科学家们更进一步地发掘宇宙未知的奥秘。

不管是量子力学，物质的构成特性，黑洞的出现，还是广义相对论，甚至是现在极为流行的多元宇宙理论，这些都是从卡文迪许的实验和研究中得来的。

通过卡文迪许扭秤实验，宇宙的认知出现了重大改变。

科学家们发现，实验不仅可以从实验中得到可见的数据，还可以从实验中观察到一定的规律，甚至探索出宇宙的更深层次的秘密。

这就是现代科学研究中这一发现的启示，它改变了我们对宇宙的认识，使我们越来越接近宇宙最终的真相。