十大最美丽的物理实验

“最美丽”的十大物理实验第三章实验科学之典范学习四要：贵恒久，贵思悟，贵知行，贵著述——康熙一、概述•1．评选过程•罗伯特·克瑞丝是美国纽约大学石溪分校哲学系的教员、布鲁克海文国家实验室的历史学家，他及另一位学者，在全美物理学家中作了一次调查，要求他们提名有史以来最美丽的十大物理实验，结果刊登在2002年9月份的《物理学世界》杂志上，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。西施沉鱼一、概述•2．共同特点•这些实验都是用最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯、最重要的科学概念，获得了重大科学发现。•令人惊奇的是这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成，最多有一两个助手。所有的实验都是在实验桌上进行的，没有用到什么大型计算工具比如电脑一类，最多不过是把直尺或者是计算器。昭君落雁一、概述•3．意义•这些“抓”住了物理学家眼中“最美的”科学之魂的实验，就像是一座座历史丰碑，使人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界的认识更加清晰。貂蝉闭月一、概述•从十大经典科学实验评选本身，我们能够清楚地看出2000年来科学家们最重大的发现轨迹，就像我们“鸟瞰”历史一样。贵妃羞花一、概述二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•1.托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验•实验装置及原理：1960年，约恩孙将托马斯·杨的双缝实验进行改造，直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片，如图所示。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•根据量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小的粒子流产生波的效应，产生像托马斯·杨的双缝演示中出现的加强光和阴影。•上图是单电子双缝干涉图（a）8个电子•（b）270个电子•（c）2000个电子•（d）60000个电子二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：证明了物质波的存在，为光及实物粒子（特别是亚原子微粒）波粒二象性学说提供了直接的实验支持。•深远意义：为量子力学的建立，特别是为量子力学波动方程的概率解释提供了实验基础。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•2.伽利略的自由落体实验•在16世纪末，人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落得快，因为伟大的亚里士多德已经这么说了。伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆地向公众的观点挑战。•实验装置及原理：从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，两个物体同时落地。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：自由落体定律•深远意义：首先，伽利略挑战亚里士多德的代价使他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学才是最神圣的和最权威的；其次，落体定律成为广义相对论的重要实验基础。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•3.罗伯特·密立根的油滴实验•很早以前，科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到，也可以通过摩擦头发得到。1897年，英国物理学家J·J·托马斯已经确立电流是由带负电粒子即电子组成的。1909年美国科学家罗伯特·密立根开始测量电流的电荷。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•实验装置及原理：密立根用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。用一个电池分别与小盒子的顶部和底部连接，使之一边成为正电板，另一边成为负电板。当小油滴通过空气时，就会吸一些静电，油滴下落的速度可以通过改变电板间的电压来•控制。密立根不断改变电压，•仔细观察每一颗油滴的运动，•当电场力与空气浮力的和等于•重力时，即可测量出油滴所带•电荷的值，如图所示。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：经过反复实验，密立根得出结论：电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•深远意义：不仅精确测量了电子所带电荷的大小，而且揭示了电荷的分立性。尤其是首次通过实验证实了物质世界的不连续性。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•密立根当年用的实验装置如图所示。经过不断改进，现在的实验装置已经变得非常的小巧、易于操作了，右上的装置图所示是现在•用得较多的一种设备•装置，但基本都是依•照下面的原理图•（下）制成的。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义4.牛顿的棱镜分解太阳光实验•牛顿1665年毕业于剑桥大学的三一学院。当时大家都认为白光是一种纯的•没有其他颜色的光（•亚里士多德就是这样•认为的），而彩色光•是一种不知何故发生•变化的光。为了验证•这个假设，牛顿做了•一个简单而著名的三•棱镜实验。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•实验装置及原理：把一块三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，由于棱镜的色散效应，在墙上白光被分解为不同颜色，后来我们称作为光谱。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：人们知道彩虹由七种颜色组成，但是他们认为那是不正常的。牛顿的结论是：正是这些红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础•色有不同的色谱•才形成了表面上•颜色单一的白色•光，白光实际上•是非常美丽的。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•深远意义：不仅为颜色理论奠定了基础，而且为光谱学的研究和发展开辟了道路。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•5.托马斯·杨的光双缝干涉实验•牛顿也不是永远正确。在多次争吵后，牛顿让科学界接受了这样的观点：光是由微粒组成的，而不是一种波。1830年，英国医生、物理学家托马斯·杨用实验对牛顿的观点提出了严峻的挑战。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•实验装置及原理：他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小的洞，让光线透过，并用一面镜子反射透•过的光线。然后他再用一•个厚约1／30英寸的纸片把•这束光从中间分成两束，•结果看到在两束光相交的•区域中，出现了亮线和阴•影，即产生了光的干涉现•象。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：使人类首次看到了光的干涉现象，证明了光是一种波。•深远意义：为光的波动学说的胜利奠定了坚实的实验基础，使人类对光的•本性的认识更近了•一步；为干涉计量•学的研究和发展开•辟了道路；为一个•世纪后量子学说的•创立起到了至关重•要的作用。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•后来该实验发展为双缝实验，下左图是自然白光双缝干涉条纹，下右图是红光双缝干涉条纹。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•6.卡文迪许扭矩实验•牛顿的另一伟大贡献是他的万有引力定律，但是万有引力到底多大？18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪许决定对此进行测量。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义实验装置及原理：将两边系有小金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样；再将两个350磅重的铅球放在相当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动，并扭动金属线。然后用自制的仪器测量出微小的转动，即可测出万有引力的大小，从而确定万有引力常数的数值。下图是卡文迪许使用的装置图。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：证明了万有引力的存在，精确测量了其大小，并用实验证明了万有引力常数确实是个恒量。•深远意义：不仅从实验上直接支持了牛顿的万有引力定律，使其成为更加•完美的理论。而且为爱因•斯坦创立广义相对论提供•了试验前提。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•卡文迪许扭矩实验的测量结果惊人的准确，并且在此基础上卡文迪许计算地球的密度和质量，他的计算结果为：地球重6．0×1024•公斤（或者说13万•亿磅），与现•代的公认值相差无•几。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•7.埃拉托色尼测量地球圆周长•古埃及有一个现名为阿斯旺的小镇，在这个小镇上，夏日正午的阳光悬在头顶：物体没有•影子，阳光直接射入深水井中。埃拉•托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆•馆长，他意识到这一现象可以帮助测•量估计地球的周长。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•实验装置及原理：在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大的同一地点测量了物体的影子。发现太阳光线有轻微的倾斜，在垂直向偏离大约7度角。剩下的就是几何学问题了。假设•地球是球状，那么它的圆•周应跨360度。如果两座•城市成7度角，就是7／360•的圆周，就是当时5000个•希腊运动场的距离。因此•地球周长应该是25万个希•腊运动场。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：证明了大地（即地球）的形状是一个球形，并第一次测量了其大小。•深远意义：为环球旅行、•地理大发现以及天文学•的发展等奠定了坚实的•实验基础。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义埃拉托色尼的测量结果是十分准确的。今天，通过航迹测算，我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在5％以内，对埃拉托色尼所处的时代来说，这一结果是十分惊奇的。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•8.伽利略的加速度实验•亚里士多德曾预言在光滑斜面上向下滚动的球的速度是均匀不变的，铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略决心用实验的方法来定量地研究有关物体移动的规律。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•实验装置及原理：伽利略做了一个6米多长、3米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。伽利略发现，铜球滚动的路程和时间的平方成比例：两倍的时间里，铜球滚动4倍的距离。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：揭示了物体运动的真实规律，否定了亚里士多德的预言。•深远意义：为惯性定律和自由落体定律的发现奠定了坚实的实验基础，开创了科学实验的方法。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•9.卢瑟福发现核子实验•1911年卢瑟福还在曼彻斯特大学做放射能实验时，原子在人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”，即大量正电荷以糊状物质的状态聚集在原子内部，中间包含着电子微粒。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•实验装置及原理：当向金箔发射带正电的α(阿尔法)微粒时，将有少量被弹回。卢瑟福和他的助手对这一现象非常吃惊，因为用原子的“葡萄干布丁”结构模型无法解释该现象。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：证明了原子的“葡萄干布丁”结构模型是错误的，原子并不是团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫做原子核，电子在它周围环绕。据此，卢瑟福提出了原子的“有核”结构模型。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•深远意义：揭示了原子的内部结构，以及物质的层次性。为原子物理学以及核物理学的发展奠定了坚实的实验基础。庄子説：一尺之棰，日取其半，万世不竭。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•10.米歇尔·傅科钟摆实验•去年，科学家们在南极安置一个摆钟，并观察它的摆动。他们是重复1851年巴黎的一个著名实验。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•实验装置及原理：1851年法国科学家米歇尔·傅科在公众面前（国葬院里）做了一个实验，用一根长220英尺的钢丝将一个62磅重的上带有铁笔的铁球•悬挂在屋顶下，观测记录它前后•摆动的轨迹。周围观众发现钟摆•每次摆动都会稍稍偏离原轨迹并•发生旋转，这是因为房屋在随地•球作缓缓的转动。二、实验装置、原理、重大发现及深远意义•重大发现：首次在地面上用实验证明了地球是在围绕地轴自转的。•深远意义：在不同的纬度上，傅科摆的旋转方向和周期是不同的。在巴黎的纬度上（北半球），钟摆的轨迹是顺时针方向，30小时一周期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而在赤道上将不会转动。在南极，转动周期是24小时。三、物理学照亮世界•杠杆轻撬，一个世界从此转动；•王冠潜底，一条定理浮出水面。•苹果落地，人类飞向太空；•蝴蝶振羽，风云为之色变。•三棱镜中折射出七色彩虹；•大荒原上升腾起蘑菇烟尘。是什么揭示了世界的奥秘？•是什么改变着我们的生活？•是什么推动着人类文明的进步？•是漆黑长夜的霓虹再现？•还是几万里光纤电缆双手相牵？•是排云而上的飞机？•是响彻太空的东方红？•还是铁轨上磁悬浮列车的呼啸？•是物理学！•正是物理学奠定了自然科学的基础，解释了我们的世界！