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对卡文迪许和库仑实验的思考

来源：爱乐趣网时间：2020年08月08日 02:53

原标题：对卡文迪许和库仑实验的思考

对卡文迪许和库仑实验的思考

1785年,法国物理学家库仑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。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。带电的小木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。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。库仑三次改变底盘上带电球和横杆上带电小木球之间的距离:

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。

上述实验表明,两个电荷之间的距离为4∶2∶1时,扭转角为1∶4∶15.98。库仑认为两电荷间的斥力的大小与距离的平方成反比。

但是对于异种电荷之间的引力,用扭秤来测量就遇到了麻烦。因为金属丝的扭转的回复力矩仅与角度的一次方成比例,这就不能保证扭秤的稳定,相吸的结果常常是相互接触而发生中和现象,使实验无法进行下去。

于是,库仑发明了电摆。若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系,则由带电体间引力产生物体的摆动,其摆动周期必定也正比于两带电体之间的距离。

其实验装置包括:绝缘金属球、虫胶做的小针、悬挂着的7～8英寸长的蚕丝、贴有金箔的圆纸板,金属球与圆纸板的距离可调。

实验时使金属球和圆纸板带上异号电荷,则小针受引力而摆动。测出金属球和圆纸板不同距离时,小针摆同样次数的时间,从而计算出每次的振动周期。当纸片与球心距离之比为3∶6∶8时,实验的电摆周期之比为20∶41∶60,而理论计算应为20∶40∶53。于是得出电的引力和斥力都遵守平方反比规律。

1787年，库仑又发现两磁铁之间的磁力与距离平方成反比的规律。

1789年，英国科学家卡文迪许利用扭秤测量了万有引力。但是万有引力是电力的近40次方分之一,一般物体间的引力实在太微弱了。

卡文迪许扭秤设在一个特殊结构的小室内。人在室外利用望远镜远距离操纵和测量,其实验装置的中间是一根长39英寸的镀银铜丝,在镀银铜丝上附加一块小平面镜。镀银铜丝的下端悬挂着一根6英尺长轻质细棒,悬挂点在棒的中央,棒两端各系住一个直径2英寸质量相等的小铅球m,构成了一个“T”型架。再把两只质量相等直径为12英寸的大铅球 m′,分放在两个小铅球的前方。用一束光线去照射镀银铜丝上的平面镜M,光线被镜子反射以后,射在一根刻度尺上。这时一对m和 m′分别互相吸引,产生的力矩使细棒转动,镀银铜丝也就被扭转,固定在镀银铜丝中央的反光镜也同样旋转一个小角度,反射光就会在刻度尺上明显地表示出来。测出小铅球因引力而摆动的周期和镀银铜丝的扭转角度,通过三次转化、三次放大，计算出地球的平均密度为水密度的5.481倍,地球的重量是5.976×1024千克,成为“称量地球的第一人”。

我被他们的毅力和智慧深深折服。但也生出一些疑问：

1、电力是引力的10的40次方倍，就算经过了三次放大，引力能够放大10的40次方倍吗？卡文迪许却用扭秤测出了小了10的40次方的引力。岂不怪哉？用卡文迪许的扭秤测量一下异种电荷之间的引力，结果可以验证电力是否是引力的10的40次方倍。谁做过？

2、库仑做电力试验用了木质小球，没有用金属球，是不是考虑了金属球的电磁性质带来的干扰？卡文迪许做引力实验为什么不用木质球，却要用金属球呢？测出来的是金属球的电磁力还是引力？

亲爱的读者，你说呢？

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