十大最美丽的物理实验选讲

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1、十大最美的物理实验一个绚丽而有趣的自然现象极光激光在油水中的传播路径平面镜成像的镜面对称点电荷电场分布 的球面对称 正电荷与负电荷的对称 磁场的对称性雪花形态 各异，几乎找 不出两片完全 相同的雪花。雪花的形 态取决于晶体 迅速穿越高空 大气层时经历 的温度、水汽 及气流的变化 。由于每一朵 雪花都有自己 独特的经历， 所以雪花形态 各异谈到美，联想到自然美和艺术美，而对科学 美，大多数人则不易感受到，这是因为科学美与 艺术美是两种不同形式的美，从美学的角度来讲 ，一种是事物外在形式所呈现的美，如自然景色 的美，音乐的美，雕塑的美，绘画的美，建筑物 的美等。另一种是事物内在结构的和谐、秩序而

2、具有的美，这种美比较抽象，是要经过大脑整理 、加工形成美的意识或美的观点。这是一种较高 层次上的审美。引言【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 。纽约大学中心的华盛顿广场公园【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。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

3、如电脑一类 ，最多不过是把直尺或者是计算器。 【意义】这些实验“抓”住了物理学家眼中“最美的”科学之魂，就像一座座历史丰碑，把人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，使人 们对自然界的认识更加清晰。从十大实验评选本身，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。 1.托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉实验（1960年）2.伽利略的自由落体实验（16世纪末）3.罗伯特密立根的油滴实验（1907-1913年）4.牛顿的棱镜分解太阳光 （1666年）5.托马斯杨的光干涉实验（1830年）6.卡文迪许的扭矩实验（1798年）7.埃拉托色尼测量地球圆周长（公元前3世纪）

4、8.伽利略的加速度实验（16世纪末）9.卢瑟福发现核子实验（1911年）10.米歇尔傅科钟摆实验（1851年）1. 埃拉托色尼测量地球圆周长（排名第七）埃拉托色尼（ Eratosthenes，公元前275一前 193）生于希腊在非洲北部的殖 民地昔勒尼（cyrene，在今利 比亚）。他在昔勒尼和雅典接 受了良好的教育，成为一位博 学的哲学家、诗人、天文学家 和地理学家。他的兴趣是多方 面的，不过他的成就则主要表 现在地理学和天文学方面。 1. 埃拉托色尼测量地球圆周长公元前240年前后，在希腊的 亚历山大城图书当馆长的埃拉托色 尼注意到在夏至的中午，阳光可以 直射到位于亚历山大城附近的小镇 塞

5、恩的一口枯井的井底，直立的物 体没有影子，也就是说太阳正好就 悬挂在塞恩城的正上方。他发现在同一天同一时间，在 亚历山大城地面上的物体有一段很 短的影子，阳光是斜射进亚历山大 城的，为什么会出现这种现象？1. 埃拉托色尼测量地球圆周长【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7.2度角。假设地球是球状，那么它的圆周 应跨360度。如果两座城市成7.2度角，即相当于圆周角360 的l50。由此表明，这一角度对应的弧长，即从塞恩到亚历 山大里亚的距离，应相当于地球周长的1/50。1. 埃拉托色尼测量地球圆

6、周长下一步埃拉托色尼借助于皇 家测量员的测地资料，测量得 到这两个城市的距离是5000希 腊里（一个希腊运动场的长度 ，约150米）。一旦得到这个 结果，地球周长只要乘以50即 可，结果为25万希腊里。 39375km 1. 埃拉托色尼测量地球圆周长【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。 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。 地球平均半径：6372.8km 地球周长

7、：40021.2km Henry Cavendish（1731-1810） 英国科学家，称量地球第一人。 2. 卡文迪许扭矩实验（排名第六） 万有引力定律牛顿的一大贡献，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。 2. 卡文迪许扭矩实验 【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。2. 卡文迪许扭矩实验 万有引

8、力定律：卡文迪许的计算结果是：地球重 5.961024 千克。测量结果惊人的准确，他测出了万有引力常量的参数：在此基础上卡文迪许计算了地球质量。13万亿万亿磅。【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。 2. 卡文迪许扭矩实验 亨利卡文迪许轶事（17311810) 特别腼腆，他跟任何人接触都会感到局促不安，连他的管家都要以书信的 方式跟他交流。终生未婚，过着奇特的隐居生活。卡文迪许为了搞科学研究，把客厅改作 实验室，在卧

9、室的床边放着许多观察仪器，以便随时观察天象。他从祖上 接受了大笔遗产，成为百万富翁。不过他一点也不吝啬。有一次，他的一 个仆人因病生活发生困难，向他借钱，他毫不犹豫地开了一张一万英镑的 支票，还问够不够用。 1810年卡文迪许逝世后，他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔 记完好地放进了书橱里，谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70 年，一直到了1871年，另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并 负责筹建卡文迪许实验室时，这些充满了智慧和心血的笔记获得了重返人 间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞，不由大惊失色， 连声叹服说：“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物

10、理学家，他几乎 预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著 作闻名于世。”此后麦克斯韦决定搁下自己的一些研究课题，呕心沥血地 整理这些手稿，使卡文迪许的光辉思想流传了下来。卡文迪许实验室他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪许将自己的一笔财 产捐赠剑桥大学于1871年建成实验室，它最初是以 H.卡文迪 什命名的物理系教学实验室，后来实验室扩大为包括整个物 理系在内的科研与教育中心，并以整个卡文迪许家族命名。 该中心注重独立的、系统的、集团性的开拓性实验和理论探 索，其中关键性设备都提倡自制。这个实验室曾经对物理科 学的进步作出了巨大的贡献。近百年来卡文迪许实验室培养 出

11、的诺贝尔奖金获得者已达26人。麦克斯韦、瑞利、J.J.汤 姆逊、卢瑟福等先后主持过该实验室。 姓 名获奖年代主要贡献瑞利第三1904研究气体密度，发现氮 J.J.汤姆逊1906气体导电的理论和实验研究 卢瑟福1908因放射性研究获诺贝尔化学奖W.H.布拉格、 W.L.布拉格1915用x射线研究晶体结构巴克拉1917发现作为元素特征的二次X射线 阿斯顿1922因发明质谱仪而获诺贝尔化学奖C.T.R.威尔逊1927发现用蒸汽凝结的方法显示带电粒子 的轨迹 理查森1928研究热电子现象，发现理查森定律 查德威克1935发现中子从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者 姓 名获奖年 代主要贡献G.P.汤拇

12、逊1937电子衍射 阿普列顿1947上层大气的物理特性 布莱开特1948改进威尔逊云室，由此在核物理和宇 宙线领域中有新发现 鲍威尔1950照相乳胶探测技术 科克拉夫特、 瓦尔顿1951用人工加速原子粒子实现原子核嬗变泡鲁兹、肯德 纽1962用X射线分析大分子蛋白质的结构，获 诺贝尔化学奖克利克、瓦森 、维尔京斯1962发现去氧核糖核酸的双螺旋结构，获 生理学或医学奖从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者 姓 名获奖年代主要贡献 约瑟夫逊1973发现约瑟夫森效应 赖尔1974射电天文学 赫维赛1974发现脉冲星 莫特1977磁性与无规系统的电子结构从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者 与卡文迪什

13、实验室有密切关系的诺贝尔物理学奖获得者姓名获奖年代主要贡献 玻尔1922研究原子结构和辐射 康普顿1927发现康普顿效应 狄拉克1933建立新的原子理论 P.W.安德逊1977磁性与无规系统的电子结构 卡皮查1978低温物理学3.米歇尔傅科钟摆实验（排名第十）如何证明地球自转？16世纪时，“太阳中心说”的创始人哥白尼曾依据相对运 动原理提出了地球自转的理论。可从他提出这一理论后的 相当长一段时间内，这一理论只能停留在让人们从主观上 接受的水平。直到19世纪中叶，在全世界物理学家面前依然摆着一道难 题：证明地球的自转就是证明地球本体的旋转运动。 地球环绕太阳运动的同时，自身也在不停地旋转着，这种

14、 旋转运动就叫做“地球自转”。旋转1天，约等于24小时。我们在地球上，看到日月星辰每天东升西落，这就是地球 自转的证明。”物理学家们说，“这个道理就好比我们坐在 旋转的木马上，看到周围的景物在旋转一样。”1851年，法国科学家傅科在巴黎国葬院做了一个 实验，用一根长220英尺（67米）的钢丝吊着一个62磅 重（28千克）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。3.米歇尔傅科钟摆实验傅 科 摆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个小时 一周

15、期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而在赤道上将不会转 动。在两个极点，转动周期是24小时。3.米歇尔傅科钟摆实验北京天文台里的傅科摆伽利略(Galileo ，1564-1642)，意大利物理学家、天 文学家、哲学家，近代实验科学的先驱者。被誉为是“经 典物理学的奠基人”。 4. 伽利略的自由落体实验（排名第二）亚里士多德亚里士多德，古代先哲，古希腊人，世界古代史上伟大的哲 学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。他 是柏拉图的学生，亚历山大（古代马其顿国王）的老师。一位百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献 。他的写作涉及伦理学、形而上学、心理学、经济学、神学 、政治学、修

16、辞学、自然科学、教育学、诗歌、风俗，以及 雅典法律。吾爱吾师，吾更爱整理。在物理学的力学上，亚里士多德的成 就也不少，但最常被提到的，却是他 所犯的错误。 “物体下落的速度和重量成正比 。” 即重的物体下落的快。亚里士多德的说法统治人们思想长达2000多年， 直到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。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】 1590年的一天 ，在比萨斜塔上，他将一个重10磅， 一个重1磅的铁球同时抛下，几乎同 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，但他展示了自然界的 本质，而不是人类的权威，科学做出 了最后的裁决。4. 伽利略的自由落体实验伽利略利用理想实验和科学推理巧妙地否定了亚 里斯多德的自由落体运动理论。那么正确的自由落体 运动规律应是怎样的呢?5.伽利略的加速度实验（排名第八）【实验装置及原理】伽利略做了一个6米多长