经典物理学实验——库仑扭秤实验
在物理学发展的前期，人们对微弱作用的测量感到困难，因为这些微弱的作用人们通常都感觉不到。

后来，物理学家们想到了悬丝，要把一根丝拉断需要较大的力，而要使一根悬丝扭转，有一个很小的力就可以做到了。

根据这个设想，法国物理学家库仑和英国的科学家卡文迪许于1785年和1789年分别独立地发
定角度的扭转；另一方面在悬丝上固定一平面镜，它可以把入射光线反射到距离平面镜较远的刻度尺上，从反射光线射到刻度尺上的光点的移动，就可以把悬丝的微小扭转显现出来。

一、库仑与库仑定律
查利·奥古斯丁·库仑（1736 --1806），法国工程师、物理学家。

1736年6
月14日生于法国昂古莱姆。

1806年8月23日在巴黎逝世。

主要贡献有扭秤实验、库仑定律、库伦土压力理论等。

同时也被称为“土力学之始祖”。

电荷的单位库仑就是以他的姓氏命名的，简称库，符号C。

若导线中载有1安培的稳定电流，则在1秒内通过导线横截面积的电量为1库仑。

库仑曾就学于巴黎马扎兰学院和法兰西学院，服过兵役。

1774年当选为法
国科学院院士。

1784年任供水委员会监督官，后任地图委员会监督官。

1802年，拿破仑任命他为教育委员会委员，1805年升任教育监督主任。

1773年发表有关材料强度的论文，所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用至今(2018)，是结构工程的理论基础。

1777年开始研究静电和磁力问题。

当时法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的磁针问题。

库仑认为磁针支架在轴上，必然会带来摩擦，提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。

研究中发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系，从而可利用这种装置测出静电力和磁力的大小，这导致他发明扭秤。

他还根据丝线或金属细丝扭转时扭力和指针转过的角度成正比，因而确立了弹性扭转定律。

他根据1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论，于1781年发现了摩擦力与压力的关系，表述出摩擦定律、滚动定律和滑动定律。

设计出水下作业法，类似现代的沉箱。

1785～1789年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。

库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。

他在给法国科学院的《电力定律》的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。

库仑终于找出了在真空中两个点电荷之间的相互作用力与两点电荷所带的电量及它们之间的距离的定量关系，这就是静电学中的库仑定律，即两电荷间的力与两电荷的乘积成正比，与两者的距离平方成反比。

库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律，它使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。

二、库仑扭秤实验
库仑制造的扭秤的构造是：
在一个直径和高度均为12英寸的玻璃圆筒上，盖一块直径为13英寸的玻璃板，板的正中钻有一孔，并装上高为24英寸的玻璃管，管子上端装有扭转测微计。

端部中间有一只夹子，夹持一根极细的银丝，银丝连着一根浸过西班牙蜡的麦杆，杆的一端有一小木髓球，另一端贴一小纸片与之平衡，使麦杆呈水平位置，这一部分都装在玻璃筒内。

在玻璃盖板上另开有侧孔，孔内放入另一只小木髓球，它可以与麦杆上的小木髓球接触。

这样，只要使侧孔处的小木髓球带电，然后与麦杆上的另一只小木髓球接触，两只小球就带同种电荷，相互排斥而分开，银丝就呈现扭转。

玻璃圆筒上刻有360个刻度，使悬丝自由松开时，横杆上小木髓球
指为零。

有电力作用在这个球上，球可以移动，使棒绕着悬挂点转动，直到悬线的扭力与电的作用力达到平衡时为止。

因为悬线很细，很小的力作用在球上就能使棒
显著地偏离其原来位置，转动的角度与力的大小成正比。

库仑让这个可移动球和固定的球带上不同量的电荷，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。

上述实验表明，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反比，所以得到：两电荷间的斥力的大小与距离的平方成反比。

库仑认为第三次的偏差是由漏电所致。

经过了这么巧妙的安排，仔细实验，反复的测量，并对实验结果进行分析，找出误差产生的原因，进行修正，库仑终于测定了带等量同种电荷的小球之间的斥力。

但是对于异种电荷之间的引力，用扭称来测量就遇到了麻烦。

因为金属丝的扭转的回复力矩仅与角度的一次方成比例，这就不能保证扭称的稳定。

经过反复的思考，库仑发明了电摆。

电摆受到了牛顿单摆的启发。

在单摆运动中，来自于地球对摆球的万有引力近似提供了摆球的重力，即：
2GMm mg r
=
则： 2GM g r = 单摆的周期为：
22T r == 库仑认为：若电荷间的引力也遵循距离平方放入反比关系，则有带电体见引力产生物体的摆动 ，其摆动周期必定也正比于
两带电体之间的距离。

基于此，库仑设计了电摆
实验。

电摆实验的装置如图所示：G 为绝缘金属球，
l g 为虫胶做的小针，悬挂在7～8尺长的蚕丝sc
下端，l 端放一镀金小圆纸片。

G 、l 间的距离可
调．实验时使G 、l 带异号电荷，则小针受到电
引力作用可以在水平面内做小幅摆动，测量出G、l在不同距离时，l g摆动同样次数的时间，从而计算出每次振动的周期。

当纸片与球心的距离之比为3:6:8时，实验的电摆周期之比为20:41:60，而理论计算应为20:40:53.实验结果与理论计算之间存在差异。

但库仑坚信引力的平方反比关系是成立的，经过认真分析，他认为实验误差产生的原因来自于漏电，经过对漏电的修正，实验值与理论值基本符合，于是得出电的引力和斥力都遵守平方反比规律。

库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律，它使电学的研究从定性进入到定量阶段，是电学史上的一块重要的里程碑。

库仑定律是电磁理论的基础，如果不成立，理论上就会导致光子的静止质量不为零，从而出现真空色散、光速可变、电荷不守恒等问题，就会动摇电磁学乃至物理学大厦的基础，因此，库仑定律的验证至今未停止，而且越做越精确。