對卡文迪許和庫侖實驗的思考
1785年,法國物理學家庫侖用自己發明的扭秤建立了靜電學中著名的庫侖定律。庫侖在實驗中,用一個直徑和高均為12英寸的玻璃圓缸,上面蓋一塊玻璃板,蓋板中間有孔。孔中裝一根玻璃管,管高約為24英寸,在玻璃管的上端裝有測定扭轉角度的測微計,並懸一根銀絲穿過管伸進玻璃缸內,懸絲下端系在一長度小於12英寸的橫杆正中,橫杆的一端為木質小球,另一端貼一小紙塊,以配重平衡使橫杆始終處在水平狀態。玻璃圓筒上刻有360個刻度,使懸絲自由鬆開時,橫杆上小木球指零。然後他使另一固定在底盤上的小球帶電,再讓兩個小球接觸後分開,以致兩個小球均帶同種等量電荷,便互相排斥。帶電的小木球受到的庫侖斥力產生力矩使橫杆旋轉,懸絲也跟著發生了扭轉形變,產生扭轉力矩。當懸絲的扭轉力矩和庫侖力力矩相平衡時,橫杆處於靜止狀態。庫侖三次改變底盤上帶電球和橫杆上帶電小木球之間的距離:
第一次,兩球相距36個刻度,測得銀絲的旋轉角度為36度。
第二次,兩球相距18個刻度,測得銀絲的旋轉角度為144度。
第三次,兩球相距8.5個刻度,測得銀絲的旋轉角度為575.5度。
上述實驗表明,兩個電荷之間的距離為4∶2∶1時,扭轉角為1∶4∶15.98。庫侖認為兩電荷間的斥力的大小與距離的平方成反比。
但是對於異種電荷之間的引力,用扭秤來測量就遇到了麻煩。因為金屬絲的扭轉的回覆力矩僅與角度的一次方成比例,這就不能保證扭秤的穩定,相吸的結果常常是相互接觸而發生中和現象,使實驗無法進行下去。
於是,庫侖發明了電擺。若電荷間的引力也遵循距離平方的反比關係,則由帶電體間引力產生物體的擺動,其擺動週期必定也正比於兩帶電體之間的距離。
其實驗裝置包括:絕緣金屬球、蟲膠做的小針、懸掛著的7～8英寸長的蠶絲、貼有金箔的圓紙板,金屬球與圓紙板的距離可調。
實驗時使金屬球和圓紙板帶上異號電荷,則小針受引力而擺動。測出金屬球和圓紙板不同距離時,小針擺同樣次數的時間,從而計算出每次的振動週期。當紙片與球心距離之比為3∶6∶8時,實驗的電擺週期之比為20∶41∶60,而理論計算應為20∶40∶53。於是得出電的引力和斥力都遵守平方反比規律。
1787年，庫侖又發現兩磁鐵之間的磁力與距離平方成反比的規律。
1789年，英國科學家卡文迪許利用扭秤測量了萬有引力。但是萬有引力是電力的近40次方分之一,一般物體間的引力實在太微弱了。
卡文迪許扭秤設在一個特殊結構的小室內。人在室外利用望遠鏡遠距離操縱和測量,其實驗裝置的中間是一根長39英寸的鍍銀銅絲,在鍍銀銅絲上附加一塊小平面鏡。鍍銀銅絲的下端懸掛著一根6英尺長輕質細棒,懸掛點在棒的中央,棒兩端各系住一個直徑2英寸質量相等的小鉛球m,構成了一個“T”型架。再把兩隻質量相等直徑為12英寸的大鉛球 m′,分放在兩個小鉛球的前方。用一束光線去照射鍍銀銅絲上的平面鏡M,光線被鏡子反射以後,射在一根刻度尺上。這時一對m和 m′分別互相吸引,產生的力矩使細棒轉動,鍍銀銅絲也就被扭轉,固定在鍍銀銅絲中央的反光鏡也同樣旋轉一個小角度,反射光就會在刻度尺上明顯地表示出來。測出小鉛球因引力而擺動的週期和鍍銀銅絲的扭轉角度,通過三次轉化、三次放大，計算出地球的平均密度為水密度的5.481倍,地球的重量是5.976×1024千克,成為“稱量地球的第一人”。
我被他們的毅力和智慧深深折服。但也生出一些疑問：
1、電力是引力的10的40次方倍，就算經過了三次放大，引力能夠放大10的40次方倍嗎？卡文迪許卻用扭秤測出了小了10的40次方的引力。豈不怪哉？用卡文迪許的扭秤測量一下異種電荷之間的引力，結果可以驗證電力是否是引力的10的40次方倍。誰做過？
2、庫侖做電力試驗用了木質小球，沒有用金屬球，是不是考慮了金屬球的電磁性質帶來的干擾？卡文迪許做引力實驗為什麼不用木質球，卻要用金屬球呢？測出來的是金屬球的電磁力還是引力？
親愛的讀者，你說呢？
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