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卡文迪许扭秤实验怎样放大微小量的变化

2013-08-15 15:26阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3592930007

五、卡文迪许扭秤实验怎样放大微小量的变化？
牛顿发表万有引力定律之后100多年，1798年，67岁的英国物理学家卡文迪许，利用扭秤，精确地测出了万有引力定律中的常数的数值，证明了万有引力定律的正确。使得万有引力定律成为定量测量的公式。他测量的精确，与目前公认的数值只差百分之一，在此后的80多年间没有人超过他的精确度。卡文迪许扭秤实验设计的巧妙——放大微小的作用力的方法，成为科学史上经典的实验。 卡文迪许扭秤实验怎样放大微小量的变化
卡文迪许 1731-1810 在第一节了解万有引力中，我们已经知道地球上两个物体间的引力非常小，因为引力常数非常小，任何一个干扰力都会使实验失败。怎样能够测得出来？怎样测得精准？看下面的卡文迪许扭秤实验装置图（转载），看卡文迪许的考虑。


卡文迪许扭秤实验怎样放大微小量的变化

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的扭转。当两个质量是m’的大铅球放在小球旁边，如下图1（转载）。当万有引力F使T形架偏转,如图2（转载），大球与小球相距r ,偏转前光点的位置在o点，偏转后光点的位置在p点， o,p两点的距离有明显的变化，由此可以计算出T形架偏转的角度。
卡文迪许扭秤实验怎样放大微小量的变化

根据两个小球的引力的力偶矩，与扭力矩相等，可以计算出引力F 。
卡文迪许扭秤实验怎样放大微小量的变化


卡文迪许清楚，引力很小，任何一个微小的干扰力就会使实验失败。卡文迪许采用了把实验装置密封在一个容器内。卡文迪许的设计，首先是尽可能地增大了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， 其次是增大弧度尺与系统的距离使小镜子的反射光在弧尺上移动较大距离。

实验设计确实体现了高度的智慧。
地球引力对地面上的物体都有作用。物体只要有质量，就有重量，或称重力。质量和重量虽然是两个不同的概念：质量是物体所含物质的多少，重量是地球引力，数值和单位都不一样。但日常生活中，在不致引起混淆的情况下，用相同的数量和单位表示这两个概念，比如，说买大米的1公斤，这表示大米的质量是1公斤，还可以表示大米的重量1公斤。但是在做计算时，质量1公斤是 m , 重量1公斤或称1公斤重，是 mg , 质量还得乘以重力加速度 g 。

有质量就有重量，好像一般都是这样。但是物体失去重量的事情也是可以遇见的——物体的重量减少了，或失去重量。我们看到轨道中的宇宙飞船中、太空空间站中，宇航员飘来飘去，或头向下倒挂天花板，是处在失重状态。
为什么物体会处在失重状态？

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