A. 库伦扭秤实验
因实验前,两小球是不带电的,这时悬丝处于自由状态(只有拉力),并无扭力。当两小球带电后,由于库仑力作用使悬丝扭转,这时才有扭力。这时转动悬丝上端的悬钮,使小球回到原来位置。
读出悬丝上端的悬钮角度,就可求出……
B. 库仑定律的实验
卡文迪许的同心球电荷分布实验,比库仑的扭秤实验精确且早几十年,但是卡文迪许并没有发表自己的著作。直到1871年麦克斯韦主持剑桥大学的卡文迪许实验室后,卡文迪许的手稿才转到了麦克斯韦手中,麦克斯韦亲自动手重复了卡文迪许的许多实验,手稿经麦克斯韦整理后出版,他的工作才为世人所知。 1769年,英国苏格兰人罗宾逊,设计了一个杠杆装置,他把实验结果用公式 表述出来,即电力F与距离r的n次方成反比。先假设指数n不是准确为2,而是 ,得到指数偏差 。 1784年至1785年间,法国物理学家查尔斯·库仑通过扭秤实验验证了这一定律。扭秤的结构如右图所示:在细金属丝下悬挂一根秤杆,它的一端有一小球A,另一端有平衡体P,在A旁还置有另一与它一样大小的固定小球B。为了研究带电体之间的作用力,先使A、B各带一定的电荷,这时秤杆会因A端受力而偏转。转动悬丝上端的悬钮,使小球回到原来位置。这时悬丝的扭力矩等于施于小球A上电力的力矩。如果悬丝的扭力矩与扭转角度之间的关系已事先校准、标定,则由旋钮上指针转过的角度读数和已知的秤杆长度,可以得知在此距离下A、B之间的作用力,并且通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小。 1773年,卡文迪许用两个同心金属球壳做实验,如右图,外球壳由两个半圆装配而成,两半球合起来正好把内球封在其中。通过一根导线将内外球连在一起,外球壳带点后,取走导线,打开外壳,用木髓球验电器试验有没有带电,结果发现木髓球验电器没有指示,内球不带电荷。根据这个实验,卡文迪许确定指数偏差 ,比罗宾逊1769年得出的0.06更精确。
1873年,麦克斯韦和麦克阿利斯特改进了卡文迪许的这个实验。麦克斯韦亲自设计实验装置和实验方法,并推算了实验的处理公式。他们将F表示为 ,其中q不超过 。这个实验做得十分精确,以致直到1936年未曾有人超过他们。 1936年,美国沃塞斯特工学院的Plimpton和Lawton,在新的基础上验证了库仑定律,他们运用新的测量手段,改进了卡文迪许和麦克斯韦的零值法,消除和避免了试验中几项主要误差,从而大大地提高了测量精度,试验线路和装置如右图所示。他们用这套装置进行了多次试验,不同的实验者都确认电流计除了由于热运动造成的1微伏指示外没有其他振动,他们用麦克斯韦对出的公式进行计算,得到 1971年,美国Wesleyan大学的Edwin R.Williams,James E.Faller及Henry A.Hill用现代测试手段,将平方反比定律的指数偏差又延伸了好几个数量级。在此之前已有好几起实验结果,不断地刷新纪录。Williams等人采用高频高压信号、锁定放大器和光学纤维传输来保证实验条件,但基本方法和设计思想跟卡文迪许和麦克斯韦是一脉相承的。
右图是简单示意图,他们用五个同心金属壳,而不是两个,采用十二面体形,而不是球形。峰值为10千伏的4兆赫高频高压信号加在最外面两层金属壳上,检测器接到最里面的两层,检验是否接收到信号。
他们根据麦克斯韦的公式,得到的平方反比定律的指数偏差
C. 如图所示的实验装置为库仑扭秤.细银丝的下端悬挂一根绝缘棒,棒的一端是一个带电的金属小球A,另一端有
当小球C靠近小球A时,旋转小角度,因此通过微小放大,能比较准确的测出转动角度.同时体现了控制变量法,即控制了电荷量,去研究库仑力与间距的关系. 故选:AC |
D. 库伦的一个试验装置叫做库伦扭秤他利用 什么 的方法解决了电荷量的测量问题。
他主要利用了扭转放大了不易观察的量而对于球本身的要求降低了
绝对相同的球不存在
但只要材料,大小,质量相同
形状为球形时
就可以认为是相同了
对于电荷量完全相等
则可以让两球接触相对较长的时间
根据电荷均分原理
可以让两球带相同的电荷
库伦扭秤的精髓是利用了扭转把力放大
由扭秤实验得出----库仑定律
库仑扭秤由悬丝、横杆、两个带电金属小球,一个平衡小球,一个递电小球、旋钮和电磁阻尼部分等组成。两个带电金属小球中,一个固定在绝缘竖直支杆上,另一个固定在水平绝缘横杆的一端,横杆的另一端固定一个平衡小球。横杆的中心用悬丝吊起,和顶部的旋钮相连,转动旋钮,可以扭转悬丝带动绝缘横杆转动,停在某一适当的位置。横杆上的金属小球(称为动球)和竖直支杆上的固定小球都在以O为圆心,半杆长L为半径的圆周上,动球相对于固定小球的位置,可通过扭秤外壳上的刻线标出的圆心角来读出。当两个金属小球带电时,横杆在动球受到的库仑力力矩作用下旋转,悬丝发生扭转形变,悬丝的扭转力矩和库仑力力矩相平衡时,横杆处于静止状态。
仪器的中心轴上装有一个永磁体托架,旋开其上紧固螺钉,可使托架升降,以改变永磁体和横杆上的阻尼金属板的距离,调整横杆转动的电磁阻尼时间。
整个仪器都装在有机玻璃罩内,既有较高的透明度,又可防灰尘。有机玻璃罩的下半部做成可开合的门,以便清洁绝缘横杆和竖立支杆,调整绝缘横杆的水平,使金属小球带电等。仪器的底座上装有三个螺旋支脚,旋转支脚,可调底座水平