2010/05/25 | 经典物理十大实验[来自网络]
类别(物理教学) | 评论(0) | 阅读(82) | 发表于 11:23

《物理学世界》刊登了排名前10位的最美丽实验.令人惊奇的是这十大实验中的绝大多数是单个科学家独立完成的, 最多有一两个小助手.所有的实验都是在实验桌上进行的,没有用到什么先进复杂的仪器以及诸如电脑之类的大型 计算工具,最多不过是把直尺或者是计算器之类.所有这些实验共同之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂,这种美丽是一种经典的概念:用最简单的仪器和设备,发现最根本、最单纯的科学概念.使人们长久的困惑和含糊顷刻时一扫而空,对自然界的认识更加清晰.十大经典科学实验就像是一座历史丰碑,使我们也能清楚地看出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.
     

    电子干涉实验      历史上,牛顿曾提出不是粒子构成的,后来托马斯·杨根据双缝实验提出光是一种波,事实上光既不是简单的由微粒构成,也不是一种单纯的波,它具有“波粒二象性”.当量子学说提出:亚原子微粒(如电子等)和光子一样也同时具有“波粒二象性”时,《物理学世界》上一篇由编辑彼特·罗格斯写的文章推测,将托马斯·杨的双缝演示改造一下可以很好地证明这一点.用电子流代替光束来做双缝实验,根据量子力学,电子流被分为两股,被分得比原子更小的粒子流产生波的效应,它们相互影响,会产生像托马斯·杨的双缝演示中出现的加强光和阴影.直到1961年,某一位科学家才在真空的世界里做出了这一实验.(排名第一)
     

    自由落体实验      在16世纪以前,亚里士多德的运动理论始终占统治地位.但他的运动理论并不都是正确的.他认为体积相等的物体下落的速度与它的重量成正比.那时的人们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.在比萨大学教学系任职的伽利略看出了其中的逻辑矛盾,他大胆地向公众的观点挑战.他的著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个经典故事:他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体,让大家看到两个物体同时落地.说明物理下落的快慢与重力的大小无关.伽利略挑战亚士多德的代价是使他失去了工作,但他展示的是自然界的本质,而不是人类的权威,科学作出了最后的裁决.(排名第二)
     

    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·米利肯开始测量电流的电荷.米利肯用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴.小盒子的顶部和底部分别连接一个电池,让一边成为正电板,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.米利肯不断改变电压,仔细观察每一颗油滴的运动.经过反复试验,米利肯得出结论: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.(排然第三)
     

     棱镜分解太阳光      艾萨克·牛顿出生那年,伽利略与世长辞.牛顿1665年毕业于剑桥大学的三一学院,后来因躲避鼠疫在家里呆了两年,后来顺利地得到了工作.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,牛顿把一面三棱镜放在阳光下,透过三棱镜,光在墙上被分解为不同颜色,后来我们称作为光谱.人们知道彩虹的五颜六色,但是他们认为那是因为不正常.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,如果你深入地看看,会发现白光是非常美丽的.(排名第四)
     

    光干涉实验      牛顿也不是永远正确.在对光的本性的认识上,历史曾出现过两种认识:“粒子说”和“波动说”.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·杨打算用实验来验证这一观点.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.结果看到了相互交错出现的光亮和阴影.这说明两束光线可以像波一样相互干涉.这个实验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用.(排名第五)
      

    卡文迪许扭秤实验      除了三大运动定律外,牛顿对物理学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·卡文迪许决心要找出这个引力的大小.他将两边系有小金属球的6英尺长的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靠近金属的地方,以产生足够的引力让哑铃转动,并扭转金属线.然后用自制的仪器测量出这个微小的转动.测量结果惊人的准确,他测出了万有引力恒量的大小,在此基础上,卡文迪许时一步计算出了地球的密度和质量.卡文迪许的计算结果是:地球质量6.0×1024千克,或者说13万亿万亿磅.(排名第六)
     

    测量地球圆周长      古埃及的一个现名为阿斯旺的小镇.在这个小镇上,夏至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,他意识到这一信息可以帮助他估计地球在周长.在以后几年里的同一天、同一时间,他在亚历山大测量了同一地点的物体的影子.发现太阳光线有轻微的倾斜,在垂直方向偏离大约7度角.剩下的就是几何学问题了.假设地球是球状,那么它的圆周应跨越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.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.(排名第七)
     

    加速度实验      在自由落体实验之后,伽利略继续提炼他有关物体运动的观点.亚里士多德关于物体运动理论指出,物体运动的有无和快慢,与它是否受到作用力和作用力的大小有关.他从钟摆的运动得到启发,设计了著名的斜面实验.他做了一个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,让不同的铜球从木槽顶端的同一个高度沿不同倾角的斜面滑下,并用水钟测量铜球每次下滑的时间,研究它们之间的关系.亚里士多曾预言滚动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.伽利略经过推算却得出:铜球是以匀加速运动沿斜面滚下,它的速度与时间成正比,路程与时间的平方成比例:两倍的时间里,铜球的滚动4倍的距离.(排名第八)
     

    核子发现实验      二十世纪初,原子在人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”,均匀分布着正电荷的糊状物质充满整个“原子球”,中间或表面有负电子嵌着.1909年卢瑟福的曼彻斯特大学做放射能实验时,和他的助手发现向金属铂的薄膜发射带正电的阿尔法微粒,发现绝大多数α粒子只有2-3度的偏转,但有1/8000的α粒子偏转大于90°,其中有的接近180°.这使他们非常吃惊.因为这用当时人们的原子观点是解释不通的.于是在大量的工作之后,卢瑟福于1911年提出原子的核式模型,指出原子并不是一团糊状物质,大部分物质和正电荷集中在一个中心小核上,现在叫作原子核,电子在它周围环绕.(排名第九)
      

    傅科钟摆实验      前几年,科学家们在南极安置一个摆钟,并观察它的摆动.他们是在重复1851年巴黎的一个著名实验.1851年法国科学家傅科在公众面前做了一个实验,用一根长220英尺的钢丝将一个62磅重的头上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶上,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时,无不惊讶.实际上这是因为房屋在缓缓移动.傅科的演示说明地球是在围绕地轴自转的.在巴黎的纬度上,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.(排名第十)

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