【大学库仑电扭秤实验简述】库仑电扭秤实验是物理学中一个经典的基础实验，主要用于验证库仑定律。该实验通过测量两个带电小球之间的静电力，研究电荷之间作用力的大小与距离和电荷量的关系。在大学物理实验课程中，这一实验具有重要的教学意义，帮助学生理解静电学的基本原理。
一、实验目的
| 序号 | 内容 |
| 1 | 验证库仑定律的正确性 |
| 2 | 学习使用电扭秤测量微小力的方法 |
| 3 | 掌握电荷量与力之间的定量关系 |
| 4 | 熟悉实验数据的处理与误差分析 |
二、实验原理
库仑定律指出：真空中两个点电荷之间的相互作用力与它们的电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。公式为：
$$ F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} $$
其中：
- $ F $ 是电荷间的静电力；
- $ k $ 是静电力常量（约为 $ 8.988 \times 10^9 \, \text{N·m}^2/\text{C}^2 $）；
- $ q_1 $ 和 $ q_2 $ 是两个电荷的电量；
- $ r $ 是两电荷之间的距离。
电扭秤是一种精密仪器，用于测量微小的力。其基本结构包括一根悬挂在细丝上的金属棒，两端各有一个带电小球。当两电荷之间产生作用力时，金属棒会发生扭转，通过测量扭转角度可以计算出作用力的大小。
三、实验装置
| 名称 | 说明 |
| 电扭秤 | 用于测量微小静电力的仪器 |
| 电荷球 | 带电的小球，可调节电荷量 |
| 细丝 | 悬挂金属棒的弹性材料，用于测量扭转角 |
| 光源与刻度盘 | 用于观察和记录扭转角度 |
| 电荷分配器 | 用于均匀分配电荷到两个小球上 |
四、实验步骤
| 步骤 | 内容 |
| 1 | 调整电扭秤至水平状态，确保系统平衡 |
| 2 | 将两个带电小球分别固定在电扭秤的两端 |
| 3 | 通过电荷分配器使两个小球带有相同电荷量 |
| 4 | 记录初始位置，然后改变两小球之间的距离 |
| 5 | 测量并记录不同距离下的扭转角度 |
| 6 | 根据扭转角度换算为作用力，绘制 $ F $ 与 $ r $ 的关系曲线 |
| 7 | 分析数据，验证库仑定律是否成立 |
五、实验注意事项
| 事项 | 内容 |
| 1 | 实验前确保环境干燥，避免空气湿度影响电荷积累 |
| 2 | 操作过程中避免触碰电扭秤的金属部分，防止干扰测量 |
| 3 | 保持实验台稳定，减少外界振动对测量的影响 |
| 4 | 多次重复实验以提高数据准确性 |
| 5 | 注意电荷分配的均匀性，避免因电荷不均导致误差 |
六、实验结果与分析
通过实验测得不同距离下电扭秤的扭转角度，并将其换算为静电力大小，最终得到 $ F $ 与 $ r^2 $ 成反比的结论，从而验证了库仑定律的正确性。实验数据表明，电荷之间的力随距离平方的减小而显著增加，符合理论预测。
七、总结
库仑电扭秤实验不仅是大学物理教学中的重要内容，也是培养学生动手能力和科学思维的重要手段。通过本实验，学生能够深入理解电荷间作用力的规律，并掌握基本的实验方法与数据分析技巧。同时，实验也揭示了物理理论与实际操作之间的紧密联系，为后续学习打下坚实基础。