— 中學(xué)物理十大經(jīng)典實(shí)驗(yàn) —

1、托馬斯·楊的雙縫演示應(yīng)用于電子干涉實(shí)驗(yàn)

在20世紀(jì)初的一段時(shí)間中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了微觀客體(光子、電子、質(zhì)子、中子等)既有波動(dòng)性，又有粒子性，即所謂的“波粒二象性”。“波動(dòng)”和“粒子”都是經(jīng)典物理學(xué)中從宏觀世界里獲得的概念，與我們的直觀經(jīng)驗(yàn)較為相符。然而，微觀客體的行為與人們的日常經(jīng)驗(yàn)畢竟相差很遠(yuǎn)。如何按照現(xiàn)代量子物理學(xué)的觀點(diǎn)去準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)、理解微觀世界本身的規(guī)律，電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為一典型實(shí)例。

2、伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)

伽利略(1564—1642)是近代自然科學(xué)的奠基者，是科學(xué)史上第一位現(xiàn)代意義上的科學(xué)家。他首先為自然科學(xué)創(chuàng)立了兩個(gè)研究法則：觀察實(shí)驗(yàn)和量化方法，創(chuàng)立了實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合、真實(shí)實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，從而創(chuàng)造了和以往不同的近代科學(xué)研究方法，使近代物理學(xué)從此走上了以實(shí)驗(yàn)精確觀測(cè)為基礎(chǔ)的道路。愛因斯坦高度評(píng)價(jià)道：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一”。

3、羅伯特·密立根的油滴試驗(yàn)

很早以前，科學(xué)家就在研究電。人們知道這種無(wú)形的物質(zhì)可以從天上的閃電中得到，也可以通過摩擦頭發(fā)得到。1897年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯已經(jīng)得知如何獲取負(fù)電荷電流。1909年美國(guó)科學(xué)家羅伯特·密立根(1868—1953)開始測(cè)量電流的電荷。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，密立根得出結(jié)論：電荷的值是某個(gè)固定的常量，最小單位就是單個(gè)電子的帶電量。他認(rèn)為電子本身既不是一個(gè)假想的也不是不確定的，而是一個(gè)“我們這一代人第一次看到的事實(shí)”。他在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演講中強(qiáng)調(diào)了他的工作的兩條基本結(jié)論，即“電子電荷總是元電荷的確定的整數(shù)倍而不是分?jǐn)?shù)倍”和“這一實(shí)驗(yàn)的觀察者幾乎可以認(rèn)為是看到了電子”。

4、牛頓的棱鏡分解太陽(yáng)光

對(duì)光學(xué)問題的研究是牛頓(1642—1727)工作的重要部分之一，亦是他最后未完成的課題。牛頓1665年畢業(yè)于劍橋大學(xué)的三一學(xué)院，當(dāng)時(shí)大家都認(rèn)為白光是一種純的沒有其他顏色的光;而有色光是一種不知何故發(fā)生變化的光(亞里斯多德的理論)。1665—1667年間，年輕的牛頓獨(dú)自做了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種光現(xiàn)象。他把一塊三棱鏡放在陽(yáng)光下，透過三棱鏡，光在墻上被分解為不同顏色，后來(lái)我們將其稱作光譜。在他的手里首次使三棱鏡變成了光譜儀，真正揭示了顏色起源的本質(zhì)。

5、托馬斯·楊的光干涉試驗(yàn)

牛頓在其《光學(xué)》的論著中認(rèn)為光是由微粒組成的，而不是一種波。因此在其后的近百年間，人們對(duì)光學(xué)的認(rèn)識(shí)幾乎停滯不前，沒有取得什么實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。1800年英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊(1773—1829)向這個(gè)觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)，光學(xué)研究也獲得了飛躍性的發(fā)展。

6、卡文迪許扭矩實(shí)驗(yàn)

牛頓的萬(wàn)有引力理論指出：兩個(gè)物體之間的吸引力與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比。但是萬(wàn)有引力到底多大?

18世紀(jì)末，英國(guó)科學(xué)家亨利·卡文迪什(1731—1810)決定要找到一個(gè)計(jì)算方法。他把兩頭帶有金屬球的6英尺長(zhǎng)的木棒用金屬線懸吊起來(lái)。再用兩個(gè)350磅重的皮球分別放在兩個(gè)懸掛著的金屬球足夠近的地方，以吸引金屬球轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使金屬線扭動(dòng)，然后用自制的儀器測(cè)量出微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。

測(cè)量結(jié)果驚人的準(zhǔn)確，他測(cè)出了萬(wàn)有引力的引力常數(shù)G。牛頓萬(wàn)有引力常數(shù)G的精確測(cè)量不僅對(duì)物理學(xué)有重要意義，同時(shí)也對(duì)天體力學(xué)、天文觀測(cè)學(xué)，以及地球物理學(xué)具有重要的實(shí)際意義。人們?cè)诳ㄎ牡鲜矊?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以準(zhǔn)確地計(jì)算地球的密度和質(zhì)量。

7、埃拉托色尼測(cè)量地球圓周

埃拉托色尼的科學(xué)工作極為廣泛，最為著名的成就是測(cè)定地球的大小，其方法完全是幾何學(xué)的。假定地球是一個(gè)球體，那么同一個(gè)時(shí)間在地球上不同的地方，太陽(yáng)線與地平面的夾角是不一樣的。如果兩座城市成7°角(7/360的圓周)，就是當(dāng)時(shí)5000個(gè)希臘運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的距離，因此地球圓周應(yīng)該是25萬(wàn)個(gè)希臘運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，約合4萬(wàn)千米。今天我們知道埃拉托色尼的測(cè)量誤差僅僅在5%以內(nèi)，即與實(shí)際只差100多千米。

8、伽利略的加速度試驗(yàn)

伽利略利用理想實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理巧妙地否定了亞里斯多德的自由落體運(yùn)動(dòng)理論。那么正確的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)是怎樣的呢?由于當(dāng)時(shí)測(cè)量條件的限制，伽利略無(wú)法用直接測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度的方法來(lái)尋找自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此他設(shè)想用斜面來(lái)“沖淡”重力，“放慢”運(yùn)動(dòng)，而且把速度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)路程和時(shí)間的測(cè)量，并把自由落體運(yùn)動(dòng)看成為傾角為90°的斜面運(yùn)動(dòng)的特例。亞里斯多德曾預(yù)言滾動(dòng)球的速度是均勻不變的：銅球滾動(dòng)兩倍的時(shí)間就走出兩倍的路程。伽利略卻證明銅球滾動(dòng)的路程和時(shí)間的平方成比例：兩倍的時(shí)間里，銅球滾動(dòng)4倍的距離。他把實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果詳細(xì)記載在1638年發(fā)表的著名的科學(xué)著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中。

9、盧瑟福散射與原子的有核模型

盧瑟福(1871—1937)在1898年發(fā)現(xiàn)了a射線。1911年盧瑟福在曼徹斯特大學(xué)做放射能實(shí)驗(yàn)時(shí)，原子在人們的印象中就好像是“葡萄干布丁”，即大量正電荷聚集的糊狀物質(zhì)，中間包含著電子微粒，但是他和他的助手發(fā)現(xiàn)向金箔發(fā)射帶正電的a射線微粒時(shí)有少量被彈回，這使他們非常吃驚。通過計(jì)算證明，只有假設(shè)正電球集中了原子的絕大部分質(zhì)量，并且它的直徑比原子直徑小得多時(shí)，才能正確解釋這個(gè)不可想象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為此盧瑟福提出了原子的有核模型：原子并不是一團(tuán)糊狀物質(zhì)，大部分物質(zhì)集中在一個(gè)中心的小核上，稱之為核子，電子在它周圍環(huán)繞。

10、米歇爾·傅科鐘擺試驗(yàn)

1851年，法國(guó)著名物理學(xué)家傅科(1819—1868)為驗(yàn)證地球自轉(zhuǎn)，當(dāng)眾做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用一根長(zhǎng)達(dá)67m的鋼絲吊著一個(gè)重28kg的擺錘《擺錘直徑0.30m)，擺錘的頭上帶有鋼筆，可觀測(cè)記錄它的擺動(dòng)軌跡。傅科的演示說(shuō)明地球是在圍繞地軸旋轉(zhuǎn)。在巴黎的緯度上，鐘擺的軌跡是順時(shí)針方向，30小時(shí)一周期;在南半球，鐘擺應(yīng)是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);而在赤道上將不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng);在南極，轉(zhuǎn)動(dòng)周期是24小時(shí)。