
扭秤(torsion balance)是一种基于扭转力矩原理测量微小作用力的精密仪器,其核心构造由悬吊在弹性金属丝下的水平横杆及两端对称配重组成。当外力作用于横杆时,金属丝产生的扭矩与外力矩平衡,通过测量扭转角度即可推算作用力值。
该装置的历史可追溯至1785年,英国科学家亨利·卡文迪许(Henry Cavendish)首次运用扭秤完成万有引力常数测定实验,通过观测铅球间的引力引起的扭矩变化,计算出地球质量。其工作原理遵循胡克定律,数学表达式为: $$ tau = ktheta $$ 其中$tau$为扭转力矩,$k$为金属丝扭转系数,$theta$为扭转角度。
现代应用中,扭秤技术已延伸至多个领域:
权威定义可参考《牛津物理仪器词典》第9版第304条目,详细技术参数见国际计量局(BIPM)公布的扭矩测量标准ISO 16063-41:2011。
扭秤是一种通过扭力平衡原理测量微小力或重力场变化的精密仪器,其核心设计结合了力矩平衡和光学放大技术。以下是综合多个权威来源的详细解释:
核心部件
包含刚性秤杆、对称悬挂的重物、高灵敏度扭丝(如银丝或金属丝)以及光学记录系统。例如库仑扭秤的构造中,秤杆两端固定带电小球,通过悬丝悬挂于玻璃容器内,并配有扭转测微计。
放大设计
采用双重放大机制:微小力通过力矩作用转化为扭丝形变(一次放大),再通过镜面反射光线在记录板上的位移显示扭转角度(二次放大)。
力学平衡
当重力场或电场存在不均匀性时,对称重物受水平分力作用产生力矩,使秤杆绕扭丝旋转,直至与扭丝的弹性扭矩平衡。平衡公式可表示为:
$$
tau_{text{外力}} = k theta
$$
其中,(k)为扭丝扭转系数,(theta)为扭转角。
高灵敏度来源
扭丝的材料特性(如直径四次方与长度成反比)决定了其灵敏度,例如库仑实验中通过银丝的微小扭转测量静电力。
关键发展
现代用途
主要用于地球物理勘探(如探测地下密度异常)、精密重力测量(精度达厄缶量级)及基础物理实验。
根据秤臂形状可分为Z型、L型和斜臂式扭秤,其中Z型通过不同位置重荷感知重力场水平分量差异。
如需更完整的分类或技术参数,可参考(搜狗百科)和(地球物理勘探史)的原始资料。
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