英国物理学家卡文迪许测引力常量G的实验是怎么做的?

英国物理学家卡文迪许测引力常量G的实验是怎么做的?

1750年,剑桥大学有位名叫约翰·米歇尔的教授,他在研究磁力的时候,使用了一种巧妙的方法,可以观察到很弱小的力的变化.卡文迪西得到这个消息后,立即上门请教.米歇尔教授向年轻的卡文迪西介绍了实验的方法.他用一根石英丝把一块条型磁铁横吊起来,然后用力一块磁铁去吸引它,这时后石英丝就发生了扭转,磁引力的大小就清楚的看出来了.卡文迪西从这里受到了很大启发,他想,能不能用这个方法测出两个物体间的微弱引力呢?从米歇尔那里回来后不久,卡文迪西仿制了一套装置：在一根细长杆的两端各安上一个小铅球,做成一个像哑铃似的东西；再用一根石英丝把这个“哑铃”从中间横吊起来.他想,如果用两个大一些的铅球分别移近两个小铅球,根据万有引力定律,“哑铃”一会在引力的作用下发生摆动,石英丝也会随着扭动.这时候,只要测出石英丝扭转的程度,就可以进一步求出引力了.(请参见『沈慧君、郭奕玲编着：经典物理发展中的著名实验,凡异出版社,p57~80 (引力常量的测定) 』) 这个推论在理论上是成立的,可是卡文迪西实验了许多次,都没有成功.原因在哪里呢?还是由于引力太微弱了,比如两个一公斤重的铅球,当它们相距十厘米时,相互之间的引力只有百万分之一克,即使是空气中的尘埃,也能干扰测量的准确度.因此,在当时的条件下,完全靠肉眼来观察确定石英丝的微小变化,实验难免会失败.时间就这么不知不觉地过去了几十年.1785年,库仑提出库仑定律(注1).因为库仑扭力计的发明,给卡文迪西 (Cavendish,1731~1810) 很好的启示,但是,用库仑的方法,还是测不出万有引力,因为万有引力比电力小了将近40次方,仪器要更更更精密才行哪!卡文迪西苦思冥想,怎样能把石英丝的微小扭转加以放大的方法?但一直都没有结果.直到1798年的一天,卡文迪西到皇家学会去参加一个会议.走在半路上,他看到几个小孩子,正在做一种有趣的游戏：他们每人手里拿着一面小镜子,用来反射太阳光,互相照着玩.小镜子只要稍一转动,远处光点的位置就有很大的变化.看到这里,忽然一个念头闪过他的脑海,他联想起了石英丝扭转放大的问题,借助小镜子不是正好可以使其得到解决吗?他抑制不住自己激动的心情,掉头跑回实验室,重新改进了实验装置.他把一面小镜子固定在石英丝上,用一束光线去照射它,光线被小镜子反射以后,射在一根刻度尺上.这样,只要石英丝有一点极小的扭转,反射光就会在刻度尺上明显地表示出来.卡文迪西把这套装置叫做“扭秤”.扭秤有很高的灵敏度,利用这套装置,卡文迪西终于成功地测得万有引力常量G是(6.754±0.041)×10-8 达因·厘米2 /克2 ,这个值同现代值(6.6732±0.0031)×10-8 达因·厘米2 /克2 相差无几.根据引力常量,卡文迪西进一步算出了地球的重量是5.976×1024 公斤.卡文迪西从十几岁读大学时开始提出这个问题,直到1798年用实验方法“称”出了地球的重量,整整五十年.距离牛顿提出万有引力定律约100年