卡文迪许扭秤实验 

1797年夏，英国物理学家卡文迪许着手改进米歇尔的扭秤并开始实验。1798年，卡文迪许利用扭秤，成功地测出了引力常量的数值，证明了万有引力定律的正确。 （万有引力定律（Law of universal gravitation）是艾萨克·牛顿于1687年在《自然哲学的数学原理》上所发表的一种自然规律。F=(G×M1×M2)/R^2，从提出到证明，用了1798-1687=111年）

图1

他改进了英国机械师米歇尔设计的扭秤，在其悬线系统上附加小平面镜，利用望远镜在室外远距离操纵和测量，防止了空气的扰动（当时还没有真空设备）。他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺木杆，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，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，由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。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”。 

卡文迪许解决问题的思路是，将不易观察的微小变化量，转化为容易观察的显著变化量，再根据显著变化量与微小量的关系算出微小的变化量 。 

卡文迪许用两个质量一样的铅球分别放在扭秤的两端。扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子。用准直的细光束照射镜子，细光束反射到一个很远的地方，标记下此时细光束所在的点。 

 图2

用两个质量一样的铅球同时分别吸引扭秤上的两个铅球。由于万有引力作用。扭秤微微偏转。但细光束所反射的远点却移动了较大的距离。他用此计算出了万有引力公式中的常数G。 其中，最主要应用了两次放大思想： 

1.尽可能地增大了T型架连接两球的长度使两球间万有引力产生较大的力矩，使杆偏转 

2.尽力的增大弧度尺与系统的距离使小镜子的反射光在弧线上转动了较大角度 除此之外,库伦扭秤实验中的基本原理也是如此。

                             实验由来

图3

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使实验失败。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'的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。他利用扭秤进行了一系列十分仔细的测量，测得引力常量G=6.754×10-11m3kg-1s2，与目前的公认值只差百分之一，在此后得89年间竟无人超过他得测量精度。 卡文迪许完成了这一重要常数的测定两年之后就与世长辞了。这一成果也就成了卡文迪许用毕生精力进行科学研究的终结和最后的献礼。

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