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1、物理学十大最美的实验,阿基米德,托勒密,开普勒,伽利略,牛顿,惠更斯,麦克斯韦,爱因斯坦,霍金,最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，这些“抓”住了物理学家眼中“最美的”科学之魂的实验，就像是一座座历史丰碑一样，把人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，使之对自然界的认识更加清晰。,之所以称它们是历史上最美丽的科学实验，是因为这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成的，最多有一两个助手，而且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如电脑一类，最多不过是把直尺或者是计算器。从十大经典科学实验本身，我们也能清楚地看出两千年来科学家们最重大的发现轨迹，就像我们“鸟瞰”历史一
2、样。物理学世界根据公众对它们的认识程度进行了排名，排在第一位的是展示物理世界量子特征的实验。,1.托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉实验,1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片。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，以至产生像托马斯杨的双缝实验中出现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。,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史上的经典：
3、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。,3. 罗伯特密立根的油滴实验,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密立根开始测量电流的电荷。密立根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，就会吸上一些静电，油滴下落的速度可以通过改变电板间的电压来控制。 密立根不断改变电压，仔细观察每一颗油滴的运动，使得电场力与空
4、气浮力的和等于重力，如图。经过反复试验，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。,4.牛顿的棱镜分解太阳光实验,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（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了变化的光。而牛顿不这样认为，他把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，墙上出现不同颜色的光带，后来我们称作为光谱。人们知道彩虹由七种颜色组成，但是大家认为那是不正常的。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。,5. 托
5、马斯杨的光双缝干涉实验,牛顿也不是永远正确。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，后来就发展为用双缝来验证这个实验，如图是自然白光双缝干涉条纹。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。,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
6、力到底有多大？ 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。如图是卡文迪许使用的装置图。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了地球的密度和质量。卡文迪许的计算结果是：地球重601024公斤，或者说13万亿万亿磅。,7. 埃拉托色尼测量地球圆周长,在古埃及一个现名为阿斯旺的小镇上， 夏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
7、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的周长。在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大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360度。如果两座城市成7度角，就是7360的圆周，也就是当时5000个希腊运动场的距离。因此地球周长应该有25万个希腊运动场长。今天，通过航迹测算，我们惊叹埃拉托色尼的测量误差仅仅在5 以内。,伽利略继续提炼他有关物体移动的观点。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，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，
8、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，因为存在恒定的重力加速度。,8.伽利略的加速度实验,9. 卢瑟福发现核子实验,近代原子核物理学之父,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阿尔法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团糊状物质，大部分物质集中在一个中心小核上，现在叫做原子核，电子在它周围环绕。,
9、1921年，卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖； 1922年，卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖； 1922年，卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖； 1927年，卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖； 1935年，卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖； 1948年，卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖； 1951年，卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿，共同获得诺贝尔物理奖； 1978年，卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。,10.米歇尔傅科钟摆实验,1851年法国科学家米歇尔傅科在公众面前（国葬院里）做了一个实验，用一根长220英尺的钢丝将一个62磅重、带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它前后摆动的轨迹。周围观众发
10、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。,从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者,从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者,从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者,与卡文迪什实验室有密切关系的诺贝尔物理学奖,经典物理学的两朵乌云,第一朵乌云出现在光的波动理论上,迈克耳逊莫雷实验与“以太”说,光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质“以太”，肯定了“以太”的
11、存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了观测“以太风”是否存在，迈克耳逊）与莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的“迈克耳逊莫雷实验”，但是实验结果却和以太漂移说相矛盾。使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。,第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上,黑体辐射与“紫外灾难”。,19世纪末，卢梅尔等人的著名实验黑体辐
12、射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。,货币上的科学家,你认识他们吗？,德谟克利特（约公元前460年-公元前370年），出现于希腊的100德拉克马的旧纸币
13、上。他是最早描述物质是由真空中不可分割的、运动的细小粒子（原子）而组成的古代哲学家之一。,哥白尼（1473-1543），出现于波兰1000兹罗提纸币上。他是第一位提出太阳系模型的富有思想的科学家，他认为太阳处于中心，行星在一定轨道围绕它运转，而不是由任何一种无形的晶状球体支撑。,伽利略（1564-1642），出现于意大利2000里拉纸币上。在某种意义上，他是第一位科学家。他在如何研究运动体方面做出了重大的发现。,高斯（1777-1855），出现于德国10马克纸币上。除了在数学上的诸多贡献外，高斯在电磁学理论上还做出了重要的发现。,迈克尔法拉第（1791-1867），出现于英国20英镑纸币上。法
14、拉第是电流和磁场性质以及两者之间关系的主要发现人之一。这个发现为电动机和发电机的使用奠定了基础。,图为南斯拉夫解体前巨大的通货膨胀时期的面值100亿第纳尔的纸币,尼古拉特斯拉（1856-1943），出现于南斯拉夫的纸币上。特斯拉出生于克罗地亚，后移民到美国。他在电子科技的发展上做出了重要贡献。,皮埃尔居里与玛丽居里（玛丽：18671934；皮埃尔：18591906），出现于法国500法郎纸币上。（45K）他们引领了放射性元素的发现和分类，并因此共同获得1903年的诺贝尔奖。1911年，玛丽居里又因其在镭元素上的卓越贡献而荣获第二枚诺贝尔奖章。他们的女儿，艾琳约里奥居里也获得了一次诺贝尔奖。,欧
15、内斯特卢瑟福（18711937），出现于新西兰100元纸币上。卢瑟福和他的学生演示并解释了有助于人们了解原子结构的实验原子的质量大部分包含在一个很小的中心里（原子核），原子的大小取决于一些极轻的微粒电子。,阿尔伯特爱因斯坦（18791905），出现于以色列5磅的纸币上。作为21世纪最伟大的科学家，爱因斯坦不仅发现了狭义相对论（高速运动物质的性质）和广义相对论（引力作用论），还为量子论的初期做出了基础性的贡献。,A=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！,尼克斯玻尔（18851962），出现于丹麦500克郎的纸币上。玻尔是我们了解物质属性基础的量子论的主要建立者之一。他创造了第一个原子的量子化模型（玻尔模型），他在量子论的近代阐释中扮演着重要的角色。,埃尔温薛定谔（18871961），出现于奥地利1000先令纸币上。薛定谔是量子论的主要开创者之一，它解释了物质的性质由其组成成分电子和原子核决定。这个理论的提出使得现代电子学，包括晶体管和激光的发展成为可能。,马克尼（18741937），出现于2000意大利币上。他成功研制出第一部收音机。,下课休息！,
