扭秤的设计思想

《扭秤的设计思想》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、本文发表于《中学物理教学探讨》2010.7扭秤的设计思想作者：王峰江苏省南通市启秀中学物理学科226001扭秤的设计思想江苏省南通市启秀中学物理学科王峰王峰，男，1972年生，教育硕士，中学高级教师，研究方向高中物理校本教材开发。226001摘要：介绍扭秤在物理学中的发展、应用，突出实验思想、方法在现代学习中的重要性。关键词：库仑扭秤；卡文迪许扭秤；厄缶扭秤；光压扭秤实验物理开创了近代物理学发展的新局面，在实验物理学三百多年的发展进程中，涌现了众多具有里程碑意义的物理实验。他们以其巧妙的构思、精心设计的仪器、高

2、超的测量技术、独到的处理方法和分析判断等，为我们展示了极其丰富和精彩的物理思想，开创出解决问题的途径和方法。这些思想和方法已经超越了各个具体实验而具有普遍的指导意义霍剑青《物理实验的基本方法》讲稿中国科学技术大学。扭秤的设计和应用既是一个典型的案例。但在笔者的教学中发现，不同版本高中的物理教材在万有引力和库仑定律两节内容的呈现时，均会涉及库仑扭秤和卡文迪许扭秤的内容，但课文多数仅对扭秤的结构进行说明，而对扭秤的设计发展史基本不提。人教版2004年版物理教材模块3－1中更是删去了卡文迪许扭秤构造图，仅有卡文迪许实

3、验室的外景图片介绍。笔者在讲述万有引力的验证时，感觉遗憾。为此，笔者查阅了物理学史相关资料，拟以扭秤为例，讲述扭秤发源、发展和应用，介绍扭秤的设计思想，以及不同科学家对扭秤的改进，展示在这一领域中的科学前辈的想象力和创造性思维的魅力。1扭秤的发展（1）库仑扭秤（1775－1788年设计）库仑（CharlesAugustedeCoulomb1736－1806法国）在军队中从事多年的军事建筑工作，使他获得了许多有关的材料。1775年，法国科学院第二次悬奖征解,希望找到制造航海指南针的最佳方案，以解决磁针在支架上受到

4、摩擦力问题。库仑应法国科学院的悬赏，他于1775年开始着力于此项研究，提出了用丝线悬挂磁针的办法进行实验，从而发现了丝线在扭转时的扭力和磁针转过的角度成正比的关系；1780年，他于另一位同行分别用丝线各自制成一架磁扭秤。随后，为改进丝线仪器的缺陷，库仑对毛发和金属丝的扭转进行了研究，于1784年发表了《扭力和金属丝弹性的理论和实验研究》一文在弹性理论的研究时，这为1785年库仑扭秤的发明奠定了基础。ABCcCDcb图（1）库仑扭秤a库仑扭秤装置如图（1）所示。一个直径和高都为12英寸的沿圆周刻度360°的玻璃筒

5、A带有一个在中央和偏心带孔的玻璃盖板B，盖板中央孔装接一个24英寸高的玻璃管C，管顶装有扭力测微计D，测微计悬挂一条细银丝，银丝下端系有—个微型夹钳。这个夹钳夹着一个水平放置的悬杆的中心。悬杆的一端有一个直径0．17英寸的表面包覆金属箔的木髓球b，另一端有一个起平衡作用的纸球c。库仑是运用扭力计的扭转角度与a、b球间距的比例关系得出电荷间的作用力与它们之间的距离的平方成反比，即：他又利用相同的金属球互相接触的方法，巧妙地获得了具有各种电量的电荷，采用电量的倍比方法，得出了电荷间的作用力与它们所带电量的乘积成正比

6、，即：综合得出最终表达式：，随后又利用扭秤装置测出比例系数（静电力常数）K。（2）米歇尔扭秤（1750年设计）和卡文迪许扭秤（1798年设计）米歇尔最早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。一类资料记述表明，认为扭秤原理是米歇尔（英）和库仑（法）各自独立发现的。早在库仑之前30年的1750年，英国剑桥大学的天文学家、机械师约翰·米歇尔（JohnMitchell，1724—1793）就开始把一块磁铁用线悬起，再用另一块磁铁推斥它，以测量磁极间斥力

7、的大小，通过测量他得到斥力与距离的近似平方成反比的关系的研究。他在1751年发表的短文《论人工磁铁》中写道：“每一磁极吸引或排斥，在每个方向，在相等距离其吸力或斥力都精确相等……按磁极的距离的平方的增加而减少，”他还说：“这一结论是从我自己做的和我看到别人做的一些实验推出来的。……但我不敢确定就是这样，我还没有做足够的实验，还不足以精确地做出定论。”另一类资料认为，米歇尔只是提出过扭秤的应用原型，并没有用文字记录关于扭秤的思想论述。扭秤的发明与库仑定律的发现，米歇尔后来看到了库仑扭秤的设计和成绩，知道与自己曾经

8、的想法相似，因此他曾建议卡文迪什采用库仑类似的方法去测量万有引力；卡文迪什于是在米歇尔扭秤基础之上改进制作了被后人称为的卡文迪许扭秤，成为第一个直接测量引力常数的实验者，直接用实验验证了万有引力定律。身为学生的卡文迪许(HenryCavendish,1731～1810英国)与老师米歇尔来往密切，他们的共同理想是要把牛顿的引力思想从天体扩展到地球，进而扩展到磁力和电力。米歇尔去世后，由他