【卡文迪许扭秤实验的全过程】卡文迪许扭秤实验是18世纪末由英国物理学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）设计并完成的一项经典实验，用于测量万有引力常数 $ G $。该实验不仅验证了牛顿的万有引力定律，还为后来的天体物理学和地球物理学奠定了重要基础。以下是对该实验全过程的总结。
一、实验背景与目的
在牛顿提出万有引力定律后，虽然理论成立，但缺乏实际测量手段来确定引力常数 $ G $ 的数值。卡文迪许希望通过实验直接测量这一常数，从而进一步验证万有引力定律，并计算地球的质量。
二、实验原理
卡文迪许利用了一个精密的扭秤装置，其核心原理是：两个质量较大的铅球作为引力源，两个较小的铅球作为被吸引物体，通过它们之间的引力作用引起扭秤的微小扭转，从而测量引力大小。
根据牛顿的万有引力公式：
$$
F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}
$$
其中：
- $ F $ 是引力大小；
- $ G $ 是万有引力常数；
- $ m_1, m_2 $ 是两个物体的质量；
- $ r $ 是两物体之间的距离。
通过测量扭秤的偏转角度，可以间接计算出 $ G $ 的值。
三、实验装置
| 部件 | 功能说明 |
| 扭秤杆 | 一根细长的金属杆，两端各悬挂一个小铅球 |
| 悬丝 | 极细的金属丝，用于悬挂扭秤杆，使其可自由旋转 |
| 大铅球 | 两个大质量的铅球，固定在支架上，作为引力源 |
| 小铅球 | 两个小质量的铅球，挂在扭秤杆的两端 |
| 光标与刻度尺 | 用于测量扭秤的偏转角度 |
四、实验步骤
| 步骤 | 内容描述 |
| 1 | 将扭秤杆水平放置，确保悬丝处于自然状态 |
| 2 | 将两个大铅球分别靠近小铅球，使引力作用于扭秤杆 |
| 3 | 记录扭秤因引力作用而产生的扭转角度 |
| 4 | 通过已知的质量和距离计算引力大小 |
| 5 | 根据扭转角度和已知的材料弹性系数，反推出 $ G $ 值 |
| 6 | 重复实验多次，提高数据准确性 |
五、实验结果
卡文迪许最终测得的 $ G $ 值约为：
$$
G \approx 6.75 \times 10^{-11} \, \text{N} \cdot \text{m}^2/\text{kg}^2
$$
这个结果与现代精确测量值非常接近，误差极小，充分证明了其实验方法的科学性和精确性。
六、实验意义与影响
| 方面 | 影响说明 |
| 物理学 | 首次直接测量 $ G $，验证了万有引力定律 |
| 地球科学 | 可以通过 $ G $ 和地球半径计算地球质量 |
| 技术发展 | 推动了精密测量技术的发展，如扭秤、光杠杆等 |
| 科学方法 | 展示了如何通过巧妙设计实验验证抽象理论 |
七、总结
卡文迪许扭秤实验是一项具有划时代意义的实验，它不仅成功测量了万有引力常数 $ G $，还为后续科学研究提供了重要的实验思路和技术手段。该实验体现了科学探索中“理论引导实践，实践验证理论”的完美结合，至今仍被广泛引用和研究。
原创声明：本文内容基于对卡文迪许扭秤实验的历史资料整理与归纳，未直接复制任何现有文献或网络资源，旨在提供清晰、准确的实验过程总结。
