A. 庫倫扭秤實驗
因實驗前,兩小球是不帶電的,這時懸絲處於自由狀態(只有拉力),並無扭力。當兩小球帶電後,由於庫侖力作用使懸絲扭轉,這時才有扭力。這時轉動懸絲上端的懸鈕,使小球回到原來位置。
讀出懸絲上端的懸鈕角度,就可求出……
B. 庫侖定律的實驗
卡文迪許的同心球電荷分布實驗,比庫侖的扭秤實驗精確且早幾十年,但是卡文迪許並沒有發表自己的著作。直到1871年麥克斯韋主持劍橋大學的卡文迪許實驗室後,卡文迪許的手稿才轉到了麥克斯韋手中,麥克斯韋親自動手重復了卡文迪許的許多實驗,手稿經麥克斯韋整理後出版,他的工作才為世人所知。 1769年,英國蘇格蘭人羅賓遜,設計了一個杠桿裝置,他把實驗結果用公式 表述出來,即電力F與距離r的n次方成反比。先假設指數n不是准確為2,而是 ,得到指數偏差 。 1784年至1785年間,法國物理學家查爾斯·庫侖通過扭秤實驗驗證了這一定律。扭秤的結構如右圖所示:在細金屬絲下懸掛一根秤桿,它的一端有一小球A,另一端有平衡體P,在A旁還置有另一與它一樣大小的固定小球B。為了研究帶電體之間的作用力,先使A、B各帶一定的電荷,這時秤桿會因A端受力而偏轉。轉動懸絲上端的懸鈕,使小球回到原來位置。這時懸絲的扭力矩等於施於小球A上電力的力矩。如果懸絲的扭力矩與扭轉角度之間的關系已事先校準、標定,則由旋鈕上指針轉過的角度讀數和已知的秤桿長度,可以得知在此距離下A、B之間的作用力,並且通過懸絲扭轉的角度可以比較力的大小。 1773年,卡文迪許用兩個同心金屬球殼做實驗,如右圖,外球殼由兩個半圓裝配而成,兩半球合起來正好把內球封在其中。通過一根導線將內外球連在一起,外球殼帶點後,取走導線,打開外殼,用木髓球驗電器試驗有沒有帶電,結果發現木髓球驗電器沒有指示,內球不帶電荷。根據這個實驗,卡文迪許確定指數偏差 ,比羅賓遜1769年得出的0.06更精確。
1873年,麥克斯韋和麥克阿利斯特改進了卡文迪許的這個實驗。麥克斯韋親自設計實驗裝置和實驗方法,並推算了實驗的處理公式。他們將F表示為 ,其中q不超過 。這個實驗做得十分精確,以致直到1936年未曾有人超過他們。 1936年,美國沃塞斯特工學院的Plimpton和Lawton,在新的基礎上驗證了庫侖定律,他們運用新的測量手段,改進了卡文迪許和麥克斯韋的零值法,消除和避免了試驗中幾項主要誤差,從而大大地提高了測量精度,試驗線路和裝置如右圖所示。他們用這套裝置進行了多次試驗,不同的實驗者都確認電流計除了由於熱運動造成的1微伏指示外沒有其他振動,他們用麥克斯韋對出的公式進行計算,得到 1971年,美國Wesleyan大學的Edwin R.Williams,James E.Faller及Henry A.Hill用現代測試手段,將平方反比定律的指數偏差又延伸了好幾個數量級。在此之前已有好幾起實驗結果,不斷地刷新紀錄。Williams等人採用高頻高壓信號、鎖定放大器和光學纖維傳輸來保證實驗條件,但基本方法和設計思想跟卡文迪許和麥克斯韋是一脈相承的。
右圖是簡單示意圖,他們用五個同心金屬殼,而不是兩個,採用十二面體形,而不是球形。峰值為10千伏的4兆赫高頻高壓信號加在最外面兩層金屬殼上,檢測器接到最裡面的兩層,檢驗是否接收到信號。
他們根據麥克斯韋的公式,得到的平方反比定律的指數偏差
C. 如圖所示的實驗裝置為庫侖扭秤.細銀絲的下端懸掛一根絕緣棒,棒的一端是一個帶電的金屬小球A,另一端有
當小球C靠近小球A時,旋轉小角度,因此通過微小放大,能比較准確的測出轉動角度.同時體現了控制變數法,即控制了電荷量,去研究庫侖力與間距的關系. 故選:AC |
D. 庫倫的一個試驗裝置叫做庫倫扭秤他利用 什麼 的方法解決了電荷量的測量問題。
他主要利用了扭轉放大了不易觀察的量而對於球本身的要求降低了
絕對相同的球不存在
但只要材料,大小,質量相同
形狀為球形時
就可以認為是相同了
對於電荷量完全相等
則可以讓兩球接觸相對較長的時間
根據電荷均分原理
可以讓兩球帶相同的電荷
庫倫扭秤的精髓是利用了扭轉把力放大
由扭秤實驗得出----庫侖定律
庫侖扭秤由懸絲、橫桿、兩個帶電金屬小球,一個平衡小球,一個遞電小球、旋鈕和電磁阻尼部分等組成。兩個帶電金屬小球中,一個固定在絕緣豎直支桿上,另一個固定在水平絕緣橫桿的一端,橫桿的另一端固定一個平衡小球。橫桿的中心用懸絲吊起,和頂部的旋鈕相連,轉動旋鈕,可以扭轉懸絲帶動絕緣橫桿轉動,停在某一適當的位置。橫桿上的金屬小球(稱為動球)和豎直支桿上的固定小球都在以O為圓心,半桿長L為半徑的圓周上,動球相對於固定小球的位置,可通過扭秤外殼上的刻線標出的圓心角來讀出。當兩個金屬小球帶電時,橫桿在動球受到的庫侖力力矩作用下旋轉,懸絲發生扭轉形變,懸絲的扭轉力矩和庫侖力力矩相平衡時,橫桿處於靜止狀態。
儀器的中心軸上裝有一個永磁體托架,旋開其上緊固螺釘,可使托架升降,以改變永磁體和橫桿上的阻尼金屬板的距離,調整橫桿轉動的電磁阻尼時間。
整個儀器都裝在有機玻璃罩內,既有較高的透明度,又可防灰塵。有機玻璃罩的下半部做成可開合的門,以便清潔絕緣橫桿和豎立支桿,調整絕緣橫桿的水平,使金屬小球帶電等。儀器的底座上裝有三個螺旋支腳,旋轉支腳,可調底座水平