十大最美丽物理实验.ppt

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。 ·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: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 J·J·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。 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 1/30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。 ,但是万有引力到底有多大? 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 ×1024 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 7/360 的圆周,也就是当时 5000 个希腊运动场的距离。因此地球周