库伦扭秤实验

库仑定律的发现•库仑定律•库伦定律在物理学史中的地位•前人对电力的研究•库仑•库伦定量实验的三大困难•著名的扭秤实验•静电力常量的确定库仑定律——描述静止点电荷之间的相互作用力的规律。•真空中两个静止的点电荷的相互作用跟它们所带电量的乘积成正比，跟它们之间的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。•r——两者之间的距离•k——静电力常量库伦定律在物理学史中的地位•库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律是电磁学三大基本实验定律,这三个定律的建立标志着人类对于电磁现象的认识发展到了新阶段•库仑定律是整个电磁场理论的基础,它确保了作为经典电磁场理论总结的麦克斯韦方程组的精度,从而实际上也确保了安培定律和法拉第电磁感应定律的精度。前人对电力的研究•16世纪吉尔伯特第一个提出了比较系统原始理论，并引人了“电吸引”这个概念。•1746年美国科学家富兰克林提出了正电荷、负电荷的概念。•普利斯特利最先预言电荷之间的作用力只能与距离平方成反比。•1777年英国的卡文迪许得出与普利斯特利同样的结论，但是没有发表。前人对电力的研究•F∝1/r2为什么？•牛顿在1666年提出了著名的万有引力定律。•平方反比律的思想对与万有引力类似的电荷间相互作用规律的猜想有巨大影响。库伦•库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律。因此，电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。库仑定律（Coulomb‘slaw）是法国物理学家,于1785年发现库伦定律。库仑定律•库仑定律可以说是一个实验定律，也可以说是牛顿引力定律在电学和磁学中的“推论”。•库仑借鉴了引力理论，模拟万有引力的大小与两物体的质量成正比关系与两物体距离二次方成反比关系，认为两电荷之间的作用力与两电荷的电量也成正比关系，与两电荷间距离的二次方也成反比关系。库仑定量实验遇到的三大困难•静电力通常很小，作用很微弱，没有测量微小力的工具；•当时没有电量单位，带电体上的电荷分布不清楚。•还有一点是难以确定相互作用的电荷之间的距离。怎样解决静电力作用微弱？•杠杆原理中的省力杠杆•动力×动力臂=阻力×阻力臂，•即F1×l1=F2×l2•较小的力通过较长的力臂，产生较大的力矩，从而产生较大的转动，放大了作用效果。库伦扭秤库伦扭秤结构••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。库伦扭秤结构•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。怎样测出库仑力的大小？•当平衡时，悬丝的扭转力矩和库仑力力矩相等。•M库=M扭•M库=F×L（F:库仑力，L:横杆的一半）•F=M扭/L•M扭=?扭力定律•1984年9月4日，库伦在《关于扭力和金属丝弹性的理论和实验研究》中提出了扭力定律。•扭力定律：扭转力矩与悬丝的扭转角成正比，与悬丝直径的4次方成正比，与悬丝的长度成反比。•M扭=怎样测出库仑力的大小？•F=M扭/L=k/L•F∝•可以从悬丝扭转的角度大小来判断库仑力的大小。怎样测量两电荷间的距离？•动球相对于固定小球的位置，可通过扭秤外壳上的刻度线标出的圆心角读出。库仑力与两电荷间距离的关系•库仑让这个可移动球和固定的球带上电荷（控制电量不变），并改变它们之间的距离：•第一次，两球相距36个刻度，测得银线的旋转角度为36度。•第二次，两球相距18个刻度，测得银线的旋转角度为144度。•第三次，两球相距8.5个刻度，测得银线的旋转角度为575.5度。库仑力与两电荷间距离的关系•两个电荷之间的距离为4：2：1时，扭转角为1：4：16。•由于扭转角的大小与扭力成正比，所以得到：两电荷间的斥力的大小与距离的平方成反比。•至此，库伦用扭秤实验证明了库伦力与距离的二次方成反比的规律。库伦力与两球带电量的关系•当时条件无法测量出Q的具体值。•怎样确定几次实验Q值之比？库伦力与两球带电量的关系•库仑的扭秤巧妙的利用了对称性原理按实验的需要对电量进行了改变。•控制变量法控制R一定，用电量均分的方式，得出Q之间的比例关系。静电力常量K•库仑虽然用库仑扭秤实验得出了库仑定律，但是由于当时电量的单位(库仑)并没有得到定义，他并没有能够测出静电力常量的数值。•静电力常量的数值是在电量的单位得到定义之后，后人通过库仑定律计算得出的。卡文迪许——万有引力的扭秤实验