A. 重力和引力的常量是怎麼測量的
萬有引力 的測量大致可分為地球物理學方法測量、空間測量、實驗室內測量等三大類. 地球物理學方法測量G 是利用大的自然物體(如形狀規則的山體、礦井和湖泊等)作為吸引質量。 該方法的主要優點是作為吸引質量的自然物體很大, 引力效應明顯. 但由於吸引質量的尺度、密度及其分布等都不能精確測量, 所以實驗的精度比較低. 隨著航天技術的發展, 人們期望在太空開展測G 實驗。 空間測量方法可以避免地面實驗室中遇到的兩大難題:一個是地面實驗環境中的附加背景引力場作用, 另一個是地面振動雜訊的干擾, 就目前的情況來看,空間測量G 的方法面臨著很多新的技術難題, 仍在探索之中.實驗室內測量萬有引力常數G 的常用工具是精密扭秤和天平。 與地球物理學方法相比, 精密扭秤的最大優點是將待測的檢驗質量與吸引質量之間的萬有引力相互作用置於與地球重力場方向正交的水平面內, 這樣就在實驗設計上極大地減少了重力及其波動的影響。 天平可以繞刀口在垂直面內上下傾斜以探垂直方向的引力作用。常用的測量方法有: 直接傾斜法、補償法、共振法、周期法和自由落體法等
B. 英國物理學家卡文迪許測引力常量G的實驗是怎麼做的
1750年，劍橋大學有位名叫約翰·米歇爾的教授，他在研究磁力的時候，使用了一種巧妙的方法，可以觀察到很弱小的力的變化。卡文迪西得到這個消息後，立即上門請教。 米歇爾教授向年輕的卡文迪西介紹了實驗的方法。他用一根石英絲把一塊條型磁鐵橫吊起來，然後用力一塊磁鐵去吸引它，這時後石英絲就發生了扭轉，磁引力的大小就清楚的看出來了。卡文迪西從這里受到了很大啟發，他想，能不能用這個方法測出兩個物體間的微弱引力呢？ 從米歇爾那裡回來後不久，卡文迪西仿製了一套裝置：在一根細長桿的兩端各安上一個小鉛球，做成一個像啞鈴似的東西；再用一根石英絲把這個「啞鈴」從中間橫吊起來。他想，如果用兩個大一些的鉛球分別移近兩個小鉛球，根據萬有引力定律，「啞鈴」一會在引力的作用下發生擺動，石英絲也會隨著扭動。這時候，只要測出石英絲扭轉的程度，就可以進一步求出引力了。(請參見『沈慧君、郭奕玲編著：經典物理發展中的著名實驗，凡異出版社，p57~80 (引力常量的測定) 』) 這個推論在理論上是成立的，可是卡文迪西實驗了許多次，都沒有成功。 原因在哪裡呢？還是由於引力太微弱了，比如兩個一公斤重的鉛球，當它們相距十厘米時，相互之間的引力只有百萬分之一克，即使是空氣中的塵埃，也能幹擾測量的准確度。因此，在當時的條件下，完全靠肉眼來觀察確定石英絲的微小變化，實驗難免會失敗。 時間就這么不知不覺地過去了幾十年。 1785年，庫侖提出庫侖定律(注1)。因為庫侖扭力計的發明，給卡文迪西 (Cavendish, 1731~1810) 很好的啟示，但是，用庫侖的方法，還是測不出萬有引力，因為萬有引力比電力小了將近40次方，儀器要更更更精密才行哪！ 卡文迪西苦思冥想，怎樣能把石英絲的微小扭轉加以放大的方法？但一直都沒有結果。 直到1798年的一天，卡文迪西到皇家學會去參加一個會議。走在半路上，他看到幾個小孩子，正在做一種有趣的游戲： 他們每人手裡拿著一面小鏡子，用來反射太陽光，互相照著玩。小鏡子只要稍一轉動，遠處光點的位置就有很大的變化。 看到這里，忽然一個念頭閃過他的腦海，他聯想起了石英絲扭轉放大的問題，藉助小鏡子不是正好可以使其得到解決嗎？他抑制不住自己激動的心情，掉頭跑回實驗室，重新改進了實驗裝置。他把一面小鏡子固定在石英絲上，用一束光線去照射它，光線被小鏡子反射以後，射在一根刻度尺上。這樣，只要石英絲有一點極小的扭轉，反射光就會在刻度尺上明顯地表示出來。卡文迪西把這套裝置叫做「扭秤」。 扭秤有很高的靈敏度，利用這套裝置，卡文迪西終於成功地測得萬有引力常量G是(6.754±0.041)×10-8 達因·厘米2 /克2 ，這個值同現代值(6.6732±0.0031)×10-8 達因·厘米2 /克2 相差無幾。根據引力常量，卡文迪西進一步算出了地球的重量是5.976×1024 公斤。 卡文迪西從十幾歲讀大學時開始提出這個問題，直到1798年用實驗方法「稱」出了地球的重量，整整五十年。距離牛頓提出萬有引力定律約100年