《实验在物理学发展中作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验在物理学发展中作用（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理学史作业2012届实验在物理学发展中的作用 学生姓名 赵孟冬 学 号 08103137 院 系 数理信息学院 专 业 物理学 指导教师 余国祥 完成日期 2012年12月19日 实验在物理学发展中的作用 摘 要物理学是一门以实验为本科学。物理实验不仅是物理学理论的基础，更是物理学发展的基本动力。伽利略的实验研究特别是他把实验和数学方法结合来研究物理规律使物理学开始走上了真正的科学道路。实验在物理学的发展中有巨大的推动作用，在物理学中，每个概念的建立，每个规律的发现，无不有坚实的实验基础，而且在物理学史上，许多关键的问题的解决，最终都要诉诸实验。本文介绍了近代物理学的发展中四个著名的实验以及
2、其在物理学发展中的作用。关键词 物理学；物理实验；发展；作用 目 录 摘 要2引 言41. 发现新事物探索新规律41.1. X射线的发现41.1.1. X射线的发现的过程41.1.2. 产生的影响52. 验证物理理论52.2. 光电效应的研究52.2.1. 光电效应的发现62.2.2. 勒纳德的新发现62.2.3. 密立根的光电效应实验62.2.4. 研究光电效应的意义73. 测定物理常量73.3. 基本电荷的测定73.3.1. 汤森德电解法73.3.2. 汤姆逊的膨胀云室法83.3.3. 威尔逊的平板电极法83.3.4. 密立根的水珠平衡法83.3.5. 密立根油滴平衡法83.3.6. e的
3、精确值94. 推广应用新技术94.4. 核磁共振94.4.1. 从核磁矩的研究谈起94.4.2. 珀塞尔小组的共振吸收实验94.4.3. 布洛赫的核感应实验104.4.4. 实际中的应用12参考文献12引 言物理学是以实验为本的科学，在物理学的发展中起来重要作用。在物理学的工作者中有90%从事实验工作。而从伦琴获得诺贝尔奖以来的一百年，176位获奖的物理学家中有67%的人因实验而获奖。张文裕说“科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。”他还说“基础哑巴你就、应用研究、开发研究和生产这四个方面紧密贯穿在一起，必然有一条红线，这局势科学实验”总之物理实验的作用基本上就是发现
4、事实，验证理论，测定常数，推广应用四个方面。下面本文就从这四个方面进行浅谈。1. 发现新事物探索新规律在经典物理学的发展中，许多伟大物理学家们的实验为经典力学理论的提出与规律的发现提供了大量的实验事实。例如，在力学方面的伽俐略的斜面实验、胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验等都是如此。电学方面的库仑定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等的建立，光学方面的有关光的干涉、衍射、偏振等现象的定律也都是先在实验中发现，再通过总结而得出的。在19世纪末和20世纪初，当人们普遍认为物理学已发展到了顶峰，只是进一步把常数测得在准些的时候，人们发现了X射线、电子、光电效应，核磁共振等，这些用经典物理学无法解释的
5、实验现象，经典物理遇到了空前的困惑，在伟大的物理学家们的努力下，近代物理学和现代物理学因此而诞生了，物理学得到了重大发展。这一事实充分说明了物理实验，只有物理实验才是物理学的基础。1.1. X射线的发现图1-11901年，首届诺贝尔物理理学奖授予德国物理学家伦琴(Wilhelm Konrad RiSntgen，18451923)，（图1-1）以表彰他在1895年发现了X射线。1.1.1. X射线的发现的过程1895年11月8日，正当伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实验工作，一个偶然事件吸引了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严，并充分抽成真空。他突然发现在不超过lm远的小桌上有一块亚
6、铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。并且他发现，产生的荧光与涂面是否朝着放电管完全无关，甚至当制品放在仪器装置两米外时，还可以看到这种荧光1。这个现象还有一个令人惊异的特点，就是这种能穿透黑纸版德尔成分，很多种物体对他来说都是透明的。比如伦琴发现一千多页的一本厚书对它几乎没有阻碍，二三厘米厚德松木板只有轻微的吸收。水，二氧化碳和各种别的液体也是透明的，只有在铜金银铅和铂板在一定厚度时才有较强的吸收。伦琴意识到这可能是某种特殊的射线，它具有特别强的穿透力，从来没有观察到过。为了证实这一事实，伦琴用了六个星期，做了很多的实验，对此进行了深入的研究。他把密封在木盒中的砝码放图1-2在这一射线的照射下拍照，
7、得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况2。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片（图12）。1895年年底，他以通信方式将这一发现公之于众。题为一种新射线(初步通信)。伦琴在通信中把这一新射线成为X射线31.1.2. 产生的影响由于X射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用价值，在伦琴宣布这一发现的极短时间内，全世界的医院都把X射线诊断作为常规手段，成为透视人体、检查伤病的有力工具。后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的
8、促进作用。X射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。由于科学家探索X射线的本质，发现了X射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门；根据晶体衍射的数据，可以精确地求出阿伏加德罗常量。在研究X射线的性质时，还发现X射线具有标识谱线，其波长有特定值，和X射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。42. 验证物理理论物理学的主体是理论。而理论是否正确，必须经过物理实践的检验。即使最权威的理论也必须通过实验的检验才能得到公认，实践是检验真理的唯一标准。例如，麦
9、克斯韦的电磁场理论，只是当电磁波被赫兹的实验证实后才成为举世公认的电磁理论的基础；又如，直到密立根在1916年用严密的光电效应实验证实后，爱因斯坦的光量子论，才被人们接受；同样，赫兹的电磁波证实了麦克斯韦的电磁场理论。就是理论的适用范围，也是由实验在检验理论的过程中来确定。理论和实验是物理学的两大部分。没有物理实验，物理理论就没有了基础的；没有了物理理论，物理实验也就失去了方向。两者相辅相成，缺一不可。 2.2. 光电效应的研究图2-11905年爱因斯坦(图2-1)在题为关于光的产生和转化的一个试探性观点的论文里，认为，指出只要把光的能量看成是不连续分布的，就可以解释黑体辐射的规律，以及光电效
10、应，电离现象等一些些事实。并且提出了爱因斯坦光电效应方程： 在光电方程里，遏止电压U应与频率v成正比，在爱因斯坦发表这篇论文时，当时并没有充分的实验依据。在20世纪初，要精确测量在不同频率的光（包括紫外光）照射下产生的光电流，并不是一件容易的事。而且由于经典理论的传统观念的束缚，因此爱因斯坦的理论并没有得到人们的普遍承认，甚至一些著名的物理学家也持否定态度。知道1914年密立根作出了关键性的实验，才改变了这一情况的。图2-22.2.1. 光电效应的发现1887年，赫兹(Heinrich Hertz，18571894)（图2-2）在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受光辐射的影响。赫兹的
11、发现以论文紫外线对放电的影响发表于1887年随即引起了广泛的反响2.2.2. 勒纳德的新发现勒纳德用不同材料做阴极，用不同的光源照射，发现都对遏制电压有影响，唯独改变光的强度对遏制电压没有影响，电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，这就是勒纳德根据实验结果做出的重要结论。52.2.3. 密立根的光电效应实验图3-2密立根从1910年开始光电效应实验，他设计和制作了一套极其精致的实验装置(图2-3)。在一个真空管内，安装了精密的实验装置。因为是在真空中工作，密立根称之为“真空机械车间”。 使用这种装置可以使密立根在排除了氧化物薄膜的电极表面上同时测量真空中的光电效应和接触电势差。实验样品是三种碱
12、金属Li、Na、K，都做成圆柱形，分别固定在小轮W上，用电磁铁从k控制小轮的转动。剃刀K可沿管轴方向前后移动也由真空管外的电磁铁带动旋转，使剃刀在圆柱电极表面不断切削，刮掉电极表面上极薄的一层氧化了的表皮。然后将光电极对准电极的位置测量接触电势差；再转一个角度，对准窗口以接受单色紫外光的照射，同时测量其光电流。密立根总共选择了六种不同频率的单色光进行了实验。1916年密立根发表了两张实验曲线图。2.2.4. 研究光电效应的意义密立根的实验结果，为爱因斯坦的光量子理论提供了第一个直接而求安眠的实验证据，后来又有许多的物理学家为光量子理论进行了实验验证。光量子理论成功了解释了光电效应，而光电效应的
13、事实也有力的支持了光量子理论。而光量子理论以及光电效应实验不仅证明了量子现象在一般物理过程中都有表现以及解释了“光的波粒二象性”而且光电效应在科学技术中也得到了广泛的应用，譬如制造了光电管等光电器件。3. 测定物理常量在物理学中，大量的实验是围绕常量的测量和研究进行的，特别是基本常数的测量和研究，在物理学发展史上占有更重要的地位。例如，万有引力常数G，从牛顿发现万有引力定律以来一直是人们试图准确测量的对象。基本物理常数之间的协凋是检验物理理论的重要途径，而每次协调都是在大量实验、在取得了众多新的研究成果的基础上做出的。3.3. 基本电荷的测定JJ汤姆生通过阴极射线的荷质比实验肯定了电子的存在，
14、为近代物理学的发展奠定了实验基础。然而，仅仅从比荷质比的数据还不足以确定电子的性质，因为由此无法直接获得出电子电荷比的数据还不足以确定电子的性质。3.3.1. 汤森德电解法JJ汤姆生有一位研究生，名叫汤森德(JSETownsend)，他创造了电解法。他让氧气从水中发泡产生云雾，雾滴带有电荷，测量云雾下降的速度，借速度与雾滴半径的关系求出雾滴的平均重量，再根据水分的总重量求出雾滴的个数。另一方面，他收集这些氧气所带电量，用静电计进行测量，所得电量被雾滴个数除，即得每颗雾滴的电荷。由此求得电子的电荷e。1897年当森德宣布了他的结果是e+=2.810-19esu，从带负电的氧得e-=3.110-10esu这个结果虽然粗略，单却是第一次直接测定带电粒子的电量。 3.3.2. 汤姆逊的膨胀云室法 大约与此同时，JJ汤姆逊的另一名研究而生C.T.R.威尔逊正在进行云雾形成的研究。这项工作后来导致彭云室的发明。大致步骤如下：在一密闭容器A中混有水蒸气和空气，其温度气压可以直接测出，从而求出其饱和度。用X射线作为电离剂，使里面的空气电离。一辅助圆筒C中的活塞P可是密室的气压和温度在突然膨胀的过程中迅速下降，得到过饱和蒸汽，并立即以粒子为核心形成云雾。雾滴总数沿用汤森德方法，电量用静电计得出，然后算出单个离子的电量。这个方法比汤森德略有改善，得到的结果大约是6.510-19es
