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衡水中学物理十大经典实验

2020-2-14 08:18| 发布者: rular| 查看: 1709| 评论: 0



— 中学物理十大经典实验 —


1、托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验


在20世纪初的一段时间中,人们逐渐发现了微观客体(光子、电子、质子、中子等)既有波动性,又有粒子性,即所谓的“波粒二象性”。“波动”和“粒子”都是经典物理学中从宏观世界里获得的概念,与我们的直观经验较为相符。然而,微观客体的行为与人们的日常经验毕竟相差很远。如何按照现代量子物理学的观点去准确认识、理解微观世界本身的规律,电子双缝干涉实验为一典型实例。

2、伽利略的自由落体实验


伽利略(1564—1642)是近代自然科学的奠基者,是科学史上第一位现代意义上的科学家。他首先为自然科学创立了两个研究法则:观察实验和量化方法,创立了实验和数学相结合、真实实验和理想实验相结合的方法,从而创造了和以往不同的近代科学研究方法,使近代物理学从此走上了以实验精确观测为基础的道路。爱因斯坦高度评价道:“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一”。

3、罗伯特·密立根的油滴试验


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,英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流。1909年美国科学家罗伯特·密立根(1868—1953)开始测量电流的电荷。


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。他认为电子本身既不是一个假想的也不是不确定的,而是一个“我们这一代人第一次看到的事实”。他在诺贝尔奖获奖演讲中强调了他的工作的两条基本结论,即“电子电荷总是元电荷的确定的整数倍而不是分数倍”和“这一实验的观察者几乎可以认为是看到了电子”。


4、牛顿的棱镜分解太阳光


对光学问题的研究是牛顿(1642—1727)工作的重要部分之一,亦是他最后未完成的课题。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;而有色光是一种不知何故发生变化的光(亚里斯多德的理论)。1665—1667年间,年轻的牛顿独自做了一系列实验来研究各种光现象。他把一块三棱镜放在阳光下,透过三棱镜,光在墙上被分解为不同颜色,后来我们将其称作光谱。在他的手里首次使三棱镜变成了光谱仪,真正揭示了颜色起源的本质。


5、托马斯·杨的光干涉试验


牛顿在其《光学》的论著中认为光是由微粒组成的,而不是一种波。因此在其后的近百年间,人们对光学的认识几乎停滞不前,没有取得什么实质性的进展。1800年英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)向这个观点提出了挑战,光学研究也获得了飞跃性的发展。

6、卡文迪许扭矩实验


牛顿的万有引力理论指出:两个物体之间的吸引力与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大?


18世纪末,英国科学家亨利·卡文迪什(1731—1810)决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的6英尺长的木棒用金属线悬吊起来。再用两个350磅重的皮球分别放在两个悬挂着的金属球足够近的地方,以吸引金属球转动,从而使金属线扭动,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,他测出了万有引力的引力常数G。牛顿万有引力常数G的精确测量不仅对物理学有重要意义,同时也对天体力学、天文观测学,以及地球物理学具有重要的实际意义。人们在卡文迪什实验的基础上可以准确地计算地球的密度和质量。


7、埃拉托色尼测量地球圆周


埃拉托色尼的科学工作极为广泛,最为著名的成就是测定地球的大小,其方法完全是几何学的。假定地球是一个球体,那么同一个时间在地球上不同的地方,太阳线与地平面的夹角是不一样的。如果两座城市成7°角(7/360的圆周),就是当时5000个希腊运动场的距离,因此地球圆周应该是25万个希腊运动场,约合4万千米。今天我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在5%以内,即与实际只差100多千米。

8、伽利略的加速度试验


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?由于当时测量条件的限制,伽利略无法用直接测量运动速度的方法来寻找自由落体的运动规律。因此他设想用斜面来“冲淡”重力,“放慢”运动,而且把速度的测量转化为对路程和时间的测量,并把自由落体运动看成为倾角为90°的斜面运动的特例。亚里斯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。他把实验过程和结果详细记载在1638年发表的著名的科学著作《关于两门新科学的对话》中。


9、卢瑟福散射与原子的有核模型


卢瑟福(1871—1937)在1898年发现了a射线。1911年卢瑟福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”,即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a射线微粒时有少量被弹回,这使他们非常吃惊。通过计算证明,只有假设正电球集中了原子的绝大部分质量,并且它的直径比原子直径小得多时,才能正确解释这个不可想象的实验结果。为此卢瑟福提出了原子的有核模型:原子并不是一团糊状物质,大部分物质集中在一个中心的小核上,称之为核子,电子在它周围环绕。


10、米歇尔·傅科钟摆试验


1851年,法国著名物理学家傅科(1819—1868)为验证地球自转,当众做了一个实验,用一根长达67m的钢丝吊着一个重28kg的摆锤《摆锤直径0.30m),摆锤的头上带有钢笔,可观测记录它的摆动轨迹。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。

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