世界十大经典物理实验

河北唐山市丰润区车轴山中学 毕会芹 选自《物理教师》2009年第1期

最近,美国两位学者在全美物理学家中做了一份调查,请他们提名有史以来最出色的十大物理实验,结果刊登在了2002年9月份的美国《物理世界》杂志上。其中多数都是我们在中学课本中耳熟能详的经典之作。令人惊奇的是十大经典实验几乎都是由一个人独立完成,或者最多有一两个助手协助。实验中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。所有这些实验的另外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:最简单的仪器和设备,发现了最根本、最单纯的科学概念,就像是一座座历史丰碑一样,扫开人们长久的困惑和含糊,开辟了对自然界的崭新认识。

从十大经典科学实验评选本身,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。2002年9月24日的《纽约时报》(按时间先后顺序)对此做了专门介绍。

埃拉托色尼测量地球圆周

排名第七。在公元前3世纪,埃及的一个名叫阿斯瓦的小镇上,夏至正午的阳光悬在头顶。物体没有影子,太阳直接照入井中。埃拉托色尼意识到这可以帮助他测量地球的圆周。在几年后的同一天的同一时间,他记录了同一地点的物体的影子。发现太阳光线有稍稍偏离,与垂直方向大约成7°。剩下的就是几何问题了。假设地球是球状,那么它的圆周应是360°。如果两座城市成7°,就是7360 的圆周,就是当时5000个希腊运动场的距离。因此地球圆周应该是25万个希腊运动场。今天我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在5%以内。

伽利略的自由落体实验

排名第二。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是这么说的。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,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。他向世人展示尊重科学而不畏权威的可贵精神。

伽利略的加速度实验

排名第八。伽利略继续他的物体移动研究。他做了一个6m多长、3m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。然后测量铜球每次下滑的时间和距离,研究它们之间的关系。亚里士多德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。伽利略却证明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。因为存在重力加速度。

牛顿的棱镜分解太阳光

排名第四。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。当时大家都认为白光是一种纯的没有其他颜色的光,而有色光是一种不知何故发生变化的光(又是亚里士多德的理论)。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。

卡文迪许扭矩实验

排名第六。牛顿的另一大贡献是他的万有引力理论:两个物体之间的吸引力与他们质量的乘积成正比,与他们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大?18世纪末,英国科学家亨利•卡文迪许决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来。再用两个350磅重的皮球放在足够近的地方,以吸引金属球转动,从而使金属线扭动。然后用自制的仪器测量出微小的转动。测量结果惊人的准确,他测出了万有引力的参数恒量。在卡文迪许的基础上可以计算地球的密度和质量。地球的质量为5.98×1024kg。

托马斯•杨的光干涉实验

排名第五。牛顿也不是永远都对。牛顿曾认为光是由微粒组成的,而不是一种波。1830年英国医生也是物理学家的托马斯•杨向这个观点挑战。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130 英寸的纸片把这束光从中间分成两束。结果看到了相交的光线和阴影。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。

米歇尔•傅科钟摆实验

排名第十。1851年法国科学家傅科当众做了一个实验,用一根长220英尺的钢丝吊着一个重62磅重的头上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下,观测记录它的摆动轨迹。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旋转。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。

罗伯特•密立根的油滴实验

排名第三。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,英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流。1909年美国科学家罗伯特•密立根开始测量电流的电荷。他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放有一个通正电的电板,另一个放有通负电的电板。当小油滴通过空气时,就带有了一些静电,他们下落的速度可以通过改变电板的电压来控制。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。

卢瑟福发现核子

排名第九。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”,大量正电荷聚集的糊状物质,中间包含着电子微粒。但是他和他的助手发现向金箔发射带正电的α微粒时有少量被弹回。这使他们非常吃惊。卢瑟福计算出原子并不是一团糊状物质,大部分物质集中在一个中心小核上,现在叫作核子,电子在它周围环绕。

托马斯•杨的双缝演示应用于电子干涉实验

排名第一。牛顿和托马斯•杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确。光既不是简单地由微粒构成,也不是一种单纯的波。20世纪初,麦克斯•普朗克和艾伯特•爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他实验还是证明光是一种波状物。经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理:光子和亚原子微粒(如电子、光子等等),是同时具有两种性质的徽粒,物理学上称为波粒二象性。将托马斯•杨的双缝演示改造一下可以很好地说明这一点。科学家们用电子流代替光束来解释这个实验。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,他们相互影响,以至产生像托马斯•杨的双缝演示中出现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。

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发布时间:2010/1/27 10:50:24  阅读次数:8953

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