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1、物理实验教学,福建教育学院理科研修部 陈光明,一、物理实验与物理学的发展 在物理学的发展历程中，实验和理论互为依赖、相辅相成。实验在物理学的发展过程中起着关键性的作用。 1、物理实验的性质和作用 物理学是一门实验性的科学。 物理实验：是物理工作者在控制条件下，运用仪器、设备，使物理现象反复再现，从而有目的地进行观测研究的一种方法。,开创实验性物理学的奠基人是伽利略。1589年，伽利略为了研究物体的运动与力之间的关系，做了两个著名的斜塔实验和斜面实验。通过这一划世纪性实验的研究，从此奠定了经典运动学的基础，打破了亚里斯多德的运动学对物理学发展长达1800多年的禁锢，也使物理学的发展从此走上了一条
2、真正科学的道路。从中，我们也能看到有目的、有计划、有针对性的研究力与运动关系的实验的科学意义。,2、实验事实的直接总结是产生物理理论的前提 有许多物理学的理论规律是直接从大量实验事实中总结概括出来的。比如： 经典物理学中的开普勒三定律是依据第谷布拉赫所积累的大量天文观测资料，采纳了哥白尼的日心说体系，又把哥白尼的圆形轨道修改为椭圆轨道而得到的。 能量守恒与转换定律也是通过大量实验的归纳和总结而得到的，其中起着关键性作用的是焦耳的热功当量实验。 电磁学中的一系列定律，如库仑定律、欧姆定律、安培定律、毕奥-沙伐尔定律、法拉第电磁感应定律等，都是直接从大量实验事实中总结概括出来的。,1912 年，劳
3、厄的x射线衍射实验证明x射线也是一种电磁波；而光电效应、以及1923年康普顿用光子和电子相互碰撞解释x射线散射中波长变长的实验结果（即康普顿效应）又给爱因斯坦的光量子假说以有力的支持。最后，以波粒二象性结束了这一场旷日持久的争端，解释了已有的实验事实。 自从17世纪以来，人们提出了各种“以太”假说，从“机械以太”、“电磁以太”，一直到“光以太”、“绝对以太”等。但是，任何一种“以太”学说都不能解释迈克尔逊莫雷实验的事实，于是最后只得以放弃“以太”学说而告终。,4、实验是修正错误的依据和发展新理论的起点 实验常常成为纠正错误理论的依据和发展理论的新起点。比如： 古希腊的亚里斯多德曾经断言：体积相
4、等的两个物体，较重的那个下落较快。他认为，物体下落的快慢精确的与它们的重量成正比。这种理论曾经统治过物理学界达1800年之久。 科学发展到中世纪，曾不断有怀疑和反对的意见，但都因为没有成熟而有力的实验事实予以支持。是伽利略的斜塔实验给予最终的否定。 1911年，卡末林-昂内斯在观察低温下水银的电导率变化时，在4.2K附近突然发现电阻消失的现象，而后又观察到许多金属在低温下的超导状态。后来，又发现了在低温下液体的超流现象（液体的粘滞系数0）。由此开始了一个新的物理学分支领域超导物理。,5、从美好的假说发展到科学理论依赖于实验 常常有这样的情况，在实验事实的基础上，科学家们设想出一个理论模型，或给
5、出理论上的预言。这些理论看起来或许是很有创见、合情合理的，但是在没有得到实验的验证之前，这种理论还只能算是一种设想、一种假说，不是科学的理论。比如： 19世纪60年代开始，麦克斯韦在大量实验的基础上，特别是法拉第关于电磁现象所做的定性的解释发展成为定量的数学形式的基础上，提出了“涡旋电场”和“位移电流”的假说，并建立了著名的麦克斯韦电磁场的基本方程组，从理论上阐明了电磁波和光波有共同的特征，并以光速在空间传播。这是一个极其卓越的理论成果。,但是，直到1887年赫兹接收到电磁振荡源放电而发出的电磁波，并且作了电磁波的反射、折射、衍射和偏振等实验，并且测出电磁波的传播速度与光速为同一数量级以后，才
6、从实验上证实了麦克斯韦的全部假说，使麦克斯韦的电磁理论开始成为科学理论。 广义相对论是爱因斯坦在19151916年间提出来的。当时，由于创建狭义相对论以及在其它领域里的卓越贡献，爱因斯坦已经是一位有很高声誉的物理学家。广义相对论就其立论的新奇、结构的严谨、推论的精确和数学上的和谐而被人们所推崇，有人认为这是物理学发展中所罕见的一件珍品。它能够解释当时用牛顿的引力理论所不能说明的水星近日点的剩余近动问题。按广义相对论的理论，爱因斯坦预言了光通过太阳表面附近的引力场时，会造成1.75的弯曲偏角效应，而不是按狭义相对论计算的0.87。,因此，实验的观测结果就将是对新理论命运的一次决定性考验。1919
7、年5月29日，英国天文学家爱丁顿率领的日食观测队，在西非几内亚利用日全食进行观测的结果，与广义相对论的预言一致。以后，类似的实验和其它的实验多次重复，广义相对论才作为一门崭新的科学理论为人们所公认。 6、实验理论实验是物理学发展的基本道路 从物理学各个分支的发展过程都可以看到，先从某些物理现象或实验事实开始，或是受到某些事物的启发，提出一定的物理模型，用来解释过去已有的实验事实，然后再用实验来进一步证明这个模型的合理性，并根据不断发展的实验结果修正和完善理论。所以说，实验理论实验是物理学发展的一般模式。比如：,电子被发现以后，人们就认为电中性的原子是由正、负两部分带电荷的物体组成的。1904年
8、，汤姆孙(J. J. Thomson，18561940)提出原子是由带正电的均匀球组成的，整个原子里面的负电是按分立电子的形式分布的，电子是撒在直径约1的带正电的均匀球体中，就像葡萄干撒在布丁点心上一样。根据这个模型，既说明了稳定原子的电中性，也能解释诸如电子发射、电磁辐射和元素性质的周期性变化与价键理论等基本现象。当原子受激发时，电子可以从原子内部逸出，电子的质量很小，很容易受到扰动，受到扰动的电子在其平衡位置附近来回振荡，从而产生电磁辐射（即原子的发光光谱）。,卢瑟福本来相信他的老师汤姆孙的原子模型基本上是正确的，1908年，卢瑟福的主要助手之一盖革研究粒子穿过物质后发现了小角度的散射现象
9、。1909年，卢瑟福指导研究生马斯登研究粒子的大角度散射问题，从实验上发现粒子碰撞金属箔所产生的大角度散射。例如，用粒子轰击ZnS薄片时，有八千分之一的几率要反射回来。于是，卢瑟福只得放弃汤姆孙的布丁点心模型，并提出了原子的有核模型：处于原子中心的带正电的原子核，直径只有整个原子的万分之一，原子的大部分质量都集中在这个中心上，电子围绕原子核旋转。,卢瑟福的有核原子模型首先遇到了稳定性的困难：一个围绕原子核作快速转动的电子相当于一个电振子，它一定要发射电磁波，因而将很快失去其能量，经过短暂的（大约只有一亿分之一秒）时间就会沿着螺旋线运动而落到原子核上去。卢瑟福有核原子模型遇到的第二个困难是无法解
10、释复杂的原子光谱现象，也无法说明原子所发射的线状光谱：因为，如果电子以一定的频率围绕原子核转动而产生辐射，则辐射的结果必将导致能量的损失，并且引起辐射光波频率的连续变化，而只能产生带状光谱。于是，玻尔在此基础上提出了电子处于具有一定能量的量子化圆轨道上，并进行定态跃迁产生辐射的原子结构模型。1914年，德国的弗兰克和赫兹关于原子能级的实验结果与玻尔的理论结果很好地符合。从此，玻尔的原子轨道模型被广泛接受。,7、 物理学史上最经典的10实验 2002年9月份出版的物理学世界刊登了排名前十的最美丽的物理实验，其中大多数都是我们耳熟能详的经典之作。这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成，所有实验都是
11、在实验桌上进行的。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”的科学灵魂，这种美丽是一种经典：最简单的仪器和设备，发现最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，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。,按照时间的顺序，这些实验是： 排名第七：埃拉托色尼测量地球的周长 排名第二：伽利略的自由落体实验 排名第八：伽利略的匀加速运动实验 排名第四：牛顿的棱镜分解太阳光 排名第六：卡文迪许扭矩试验,排名第五：托马斯杨的光的干涉 实验 排名第十：米歇尔傅科钟摆实验 排名第三：罗伯特密立根的油滴实验 排名第九：卢瑟福发现原子核的实验 排名第一：托马斯杨的双
12、缝干涉应用于电子干涉的实验,1、托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉实验 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。光既不是简单的 由微粒构成，也不是一种单纯的波。20世纪初，麦克斯普克朗和阿尔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微粒，物理上称它们：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，它们相互影响，以至产
13、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。物理学世界编辑彼特罗格斯推测，直到1961年，某一位科学家才在真实的世界里做出了这一实验。（排名第一）,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。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故事：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。伽利略挑战亚里士多德的代价也许使他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学做出了最后的裁决。（排名第二）,3、罗伯特米利
14、肯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JJ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，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。（排名第三）,4、牛顿的
15、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，后因躲避鼠疫在家里呆了两年，再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，牛顿把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，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）,5、托马斯杨的光干涉实验 牛顿也不是永远
16、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。（排名第五）,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？18世纪末，英国科学家亨利卡文迪许决定要找出这个引力。他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。测量结果惊人的准确，他测出了万有引力恒量的参数，在此基础上卡文迪许计算地球的密度和质量。卡文迪许的计算结果是：地球重601024公斤，或者说13万亿万亿
