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[呼吁] 电磁学的实验再检验（5）：静电力（库仑定律）扭秤法的高精度再检验

特斯拉： 今天的科学家们用数学替换了实验，并且他们从方程到方程来回地推导，最终建立了一个和现实世界没有任何关系的数学结构。

https://www.rastko.rs/projekti/tesla/delo/10884

阿诺德： 推导的链（即所谓的“证明”）越长越复杂，最后得到的结论可靠性越低。

https://iopscience.iop.org/article/10.1070/RM1998v053n01ABEH000005

   所以，判定实验原理的设计，越接近“被检验的描述物理作用的数学公式”越好。

一、库仑定律再检验的意义

   直接引用《中国大百科全书》词条“库仑定律/Coulomb's law”吧！

   “电磁场理论的麦克斯韦方程组是在一些电磁学实验定律的基础上建立起来的，这些实验定律的精度和适用范围都难以言明”。

图1  《中国大百科全书》词条“库仑定律/Coulomb's law”局部截图

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31176&Type=bkzyb&SubID=61925

   “而在一定条件下，由库仑定律和洛伦兹变换可导出麦克斯韦方程组”！！！所以，优先呼吁仔细检验“库仑定律/Coulomb's law/”。

二、库仑定律再检验：只用“库仑扭秤”法

   库仑 1785年06月用扭秤（torsion balance）实验直接测量静电力，精度达到了 4×10^-2。

图2  库仑扭秤 Coulomb's Torsion-Balance

https://etc.usf.edu/clipart/36000/36071/torsion_bal_36071.htm

https://etc.usf.edu/clipart/36000/36071/torsion_bal_36071_lg.gif

   静电场的产生，或许可以参考特鲁顿-诺伯实验（Trouton–Noble experiment）？当然，这只对相异电荷时有效。

   当代万有引力常数G 测量的“扭秤”法精度达到了 10^-4。测量库仑定律的精度应该更高，至少应该可达 10^-5 ？

2.1  不要用库仑的摆动法，它会受到加速运动的干扰

   He suspended a needle with a small plate on one end, and the plate was then charged. The opposite charge was placed on the surface of a hollow sphere of copper or metal-coated cardboard, about a foot in diameter.

   Coulomb assumed that the large sphere would behave as if all its charge were concentrated in a point at its center. The needle was made to oscillate in a narrow arc in the horizontal plane. The period of oscillation depended on the force between the charged sphere and the charged plate on the needle, just as the period of the ordinary simple pendulum depends on the force exerted by gravity. Coulomb then measured the period of oscillation at various distances from the large sphere and, using an equation similar to that for the pendulum, related the period to the force between the charges.

   【机器翻译】他把一根一端有一个小盘子的针挂起来，然后把盘子装上。相反的电荷被放置在直径约一英尺的铜或金属涂层纸板的空心球表面。

    库仑假设大球体的行为就像所有电荷都集中在其中心的一点上一样。针被制成在水平面内以窄弧形振荡。振荡周期取决于带电球体和带电板之间的力，就像普通单摆的周期取决于重力施加的力一样。然后，库仑测量了在距离大球体不同距离处的振荡周期，并使用类似于摆锤的方程，将振荡周期与电荷之间的力联系起来。

https://www.aps.org/publications/apsnews/201606/physicshistory.cfm

2.2  不要用卡文迪许的“同心球装置”，它采用了“中间假设”

   卡文迪许不是用自己发明的“扭秤”——“同心球装置”测力，而是用检验导体内部是否有电荷的方法，这就可以测得很精确。

   由静电学可以证明：导体表面才分布电荷，内部不会有电荷。这里用到的“转化”（把测静电力转化为测电荷），

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=487874&Type=bkdzb&SubID=743

图3  检验静电平方反比定律的卡文迪什装置

https://www.researchgate.net/publication/228676944_The_mass_of_the_photon  

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/68/1/R02

三、小结

   库仑定律再检验，建议只用直接测量静电荷之间作用力的“扭秤法”，或其它等效的直接方法。

   不要采用“运动”、“定律推导”。

   似乎大数学家柯尔莫哥洛夫（Андрей Николаевич Колмогоров, Andrey Nikolayevich Kolmogorov）也有点类似的意思？尽可能采用简单、直接的模型（方法）？待核对

参考资料：

[1] 2022-06-04，库仑定律/Coulomb's law/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31176&Type=bkzyb&SubID=61925

[2] 2022-12-21，“小数据”引出的大成果（上），陈仁政，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=487874&Type=bkdzb&SubID=743

[3] AMERICAN PHYSICAL SOCIETY, 2016, June 1785: Coulomb Measures the Electric Force

https://www.aps.org/publications/apsnews/201606/physicshistory.cfm

[4] Liang-Cheng Tu, Jun Luo. Experimental tests of Coulomb's Law and the photon rest mass [J]. Metrologia: International Journal of Scientific Metrology, 2004, 41(5): S136-S146.

doi:  10.1088/0026-1394/41/5/S04

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/41/5/S04

[5] G Spavieri, G T Gillies, M Rodriguez. Physical implications of Coulomb’s Law [J]. Metrologia: International Journal of Scientific Metrology, 2004, 41(5): S159-S170.

doi:  10.1088/0026-1394/41/5/S06

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/41/5/S06

[6] Metrologia, Volume 41, Number 5, October 2004, SPECIAL ISSUE: ELECTRICAL CHARGE

https://iopscience.iop.org/issue/0026-1394/41/5

[7] The Feynman Lectures on Physics

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/

[8] Frederick Thomas Trouton, Henry R. Noble. The mechanical forces acting on a charged electric condenser moving through space [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character, 1904, 202(346-358): 165-181.

doi:  10.1098/rsta.1904.0005

https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.1904.0005  

相关链接：

[1] 2023-06-30，[讨论] 1785年库仑实验、1971年电力平方反比定律实验可信吗？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1393570.html

[2] 2023-07-20，[讨论] 电磁学的实验再检验（4）：电磁波依赖坐标系判定实验原理

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396060.html  

[3] 2023-07-15，[求助] 电磁学的实验再检验（3）：电磁波依赖坐标系实验

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395495.html

[4] 2023-07-14，[最主流] 电磁学的实验再检验（2）：平行载流导线之间的电磁力

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395383.html

[5] 2023-07-13，[最主流] 电磁学的实验再检验（1）：坡印廷矢量（Poynting vector）只是一种数学抽象？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395225.html

[6] 2022-06-13，[讨论] 引力、电磁力“独立性”的判定实验

https://wap.sciencenet.cn/blog-107667-1342826.html

[7] 2019-07-02，记忆：南开大学2008年《科学素质教育课程骨干教师高级研修班》

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1187783.html

[8] 2023-07-14，“电磁学的实验再检验”：经典电磁学实验当代再检验的起因、意义要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395251.html

[9] 2023-07-12，[惊悚、惊喜] 原来我才是“最主流”：反思麦克斯韦经典电磁理论

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395113.html

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