一、設計思路的產生
英國科學家亨利·卡文迪許是有史以來最偉大的實驗科學家之一。1789年，卡文迪許利用扭秤，成功地測出了引力常量的數值。引力常量的測出，不僅用實驗證明了萬有引力定律的存在，更使得萬有引力定律有了真正的實用價值，並由此計算出了地球的質量，後人稱他是「第一個稱量地球的人〞。
卡文迪許扭稱實驗，在2002年9月，被美國物理學家評為歷史上「最美麗的十大物理實驗」之一。然而，它是目前我們中學物理實驗的一大空白。為彌補教材中的不足之處，我們完成了下文，以促進和推動這一問題在中學物理教學中展開。
二、演示儀簡介
本實驗裝置主要由以下兩部分組成：
1．扭砰系統 如圖1所示的裝置，輕質合金材料的「T」形金屬架，橫桿約60cm，兩端各焊接一個金屬小球，橫桿中央焊有兩個小平面鏡，「T」形架下端焊接一蚊香盤改裝的托盤，托盤漂浮在水面上。用一釣魚絲將「T」型架懸掛，將兩個重6kg的大鉛球放在距金屬小球相當近的地方，以產生足夠的引力使「T」型框架發生扭轉。
2．放大裝置 如圖2，圖3所示，由激光筆、兩塊大平面鏡和刻度表組成。當激光射向「T」形架上的小平面鏡時，經兩大平行平面鏡多次反射到刻度尺上。
三、實驗原理及操作方法
1．實驗原理：多次放大及等效的思想
如圖4所示，質量為m的兩個小球在兩個質量為m′的大球的引力作用下，「T」形架發生扭轉，引力的力矩為FL（L為「T」形金屬桿長度）。同時，釣魚絲發生扭轉而產生一個相反的力矩kθ，當這兩個力的力矩相等，即FL＝kθ時，「T」形架處於平衡狀態，此時，金屬絲扭轉的角度θ可由小鏡上的反射光經過兩個互相平行的平面鏡多次反射，最終通過光點在刻度尺上移動的距離證實物體間萬有引力的存在。
本實驗巧妙地利用等傚法合理地將微小量進行放大，只要入射光線稍有一點偏轉，則在刻度表上的光點就會發生明顯的位移，即能使不易觀察的微小變化量轉化為容易觀察的顯著變化量。
2．實驗操作方法與步驟
（1）調節扭秤系統處於平衡狀態，尤其要使托盤保持穩定狀態，浸入水的位置要合適。
（2）固定好激光筆的位置，使光線能清晰地射到小平鏡上，並調整兩塊大平面鏡框架，使光點能落到刻度表上恰當的位置。
（3）將兩大球同時靠近小球，由於大球與小球間的萬有引力作用，橫桿繞軸發生轉動，平衡後，記下光點所在位置。
（4）移開大球，待裝置重新平衡後，再次記下光點所在的位置。則前後兩次光點的位移，就是大球與小球之間的萬有引力的宏觀表現。
說明：由於我們的實驗在於驗證物體之間是否存在萬有引力，並不在於精確測定引力常量，因此上述簡單操作，現象直觀，效果明顯。
四、實驗條件及創新設計
1．實驗環境
目的只是驗證物體之間是否存在萬有引力，不在於測定萬有引力常量的數值，因此只需一個相對穩定的環境。
2．創新設計
根據物理課本提供的卡文迪許實驗原理圖，如圖4所示。我們通過探索研究，對多處進行了大膽創新。
（1）浮體托盤的平衡設計：扭稱系統如果直接掛在釣魚絲下，由於裝置太重，轉動慣量過大，在微小引力作用下，細絲幾乎不發生扭轉形變。對此我們設計了一個圓柱平底托盤，焊接在「T」形金屬桿下端，讓其部分浸入水中，利用浮力，把整個扭轉系統托起，大大提高了細絲扭轉靈敏度；同時減弱「T」形架上下擺動及左右擺動幅度。
（2）兩塊平行的大平面鏡框架設計：因「T」型架扭轉角度非常小，要觀察出反射光線前後的位置變化，必須要有一個相當距離。為縮小空間，方便觀察，我們精心設計了雙平面鏡，利用雙面鏡的多次反射，提高了觀察效果。
（3）兩塊小平面鏡設計：安裝一個小平面鏡，出現難固定，難豎直等問題。把兩塊小平面鏡安裝在橫桿中間，既容易豎直，調節橫桿平衡，又可以從多個不同的角度對激光進行反射。
（4）金屬圈「調平器」設計：根據托盤天平上的平衡螺母作用，我們在橫桿上裝了所謂的金屬圈「調平器」，此調節裝置的巧妙設計，大大減小了製作和操作上的難度。
五、完善與構想
我們設計製作的「萬有引力演示儀」，定位在驗證物體間確實存在萬有引力。為使觀察現象明顯，擴大了裝置的體積，看起來顯得龐大；由於實驗時轉動比較靈敏，要靜止下來時間還比較長，需要加一個制動裝置；又由於存在空氣和水等阻力影響，要比較精確測定引力常量，還須進一步改進：
（1）縮小裝置，尋覓更精緻的材料，完善實驗；
（2）為減小空氣流動對其影響，可以放在真空的透明箱子內進行實驗；
（3）在克服外界因素影響的條件下，我們可以測出萬有引力常數G。 |
