萬有引力常量的測定
牛頓發現了萬有引力定律,但引力常量G這個數值是多少,連他本人也不知道。按說只要測出兩個物體的質量,測出兩個物體間的距離,再測出物體間的引力,代入萬有引力定律,就可以測出這個常量。但因為壹般物體的質量太小了,它們間的引力無法測出,而天體的質量太大了,又無法測出質量。所以,萬有引力定律發現了100多年,萬有引力常量仍沒有壹個準確的結果,這個公式就仍然不能是壹個完善的等式。直到100多年後,英國人卡文迪許利用扭秤,才巧妙地測出了這個常量。
這是壹個卡文迪許扭秤的模型。(教師出示模型,並拆裝講解)這個扭秤的主要部分是這樣壹個T字形輕而結實的框架,把這個T形架倒掛在壹根石英絲下。若在T形架的兩端施加兩個大小相等、方向相反的力,石英絲就會扭轉壹個角度。力越大,扭轉的角度也越大。反過來,如果測出T形架轉過的角度,也就可以測出T形架兩端所受力的大小。現在在T形架的兩端各固定壹個小球,再在每個小球的附近各放壹個大球,大小兩個球間的距離是可以較容易測定的。根據萬有引力定律,大球會對小球產生引力,T形架會隨之扭轉,只要測出其扭轉的角度,就可以測出引力的大小。當然由於引力很小,這個扭轉的角度會很小。怎樣才能把這個角度測出來呢?卡文迪許在T形架上裝了壹面小鏡子,用壹束光射向鏡子,經鏡子反射後的光射向遠處的刻度尺,當鏡子與T形架壹起發生壹個很小的轉動時,刻度尺上的光斑會發生較大的移動。這樣,就起到壹個化小為大的效果,通過測定光斑的移動,測定了T形架在放置大球前後扭轉的角度,從而測定了此時大球對小球的引力。卡文迪許用此扭秤驗證了牛頓萬有引力定律,並測定出引力常量G的數值。這個數值與近代用更加科學的方法測定的數值是非常接近的。
卡文迪許測定的G值為6.754×10-11,現在公認的G值為6.67×10-11。需要註意的是,這個引力常量是有單位的:它的單位應該是乘以兩個質量的單位千克,再除以距離的單位m的平方後,得到力的單位牛頓,故應為N·m2/kg2。