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物理学的实验美


物理学的实验美
1.前言
2005 年 9 月份出版的《物理学世界》刊登了选出的排名前 10 位的最美丽实验,其中的 大多数都是我们耳熟能详的经典之作。 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 比如电脑一类,最多不过是把直尺或者是计算器。 所有这些实验共同之处是他们都仅仅

“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂, 这种 美丽是一种经典概念:最简单的仪器和设备,发现了最根本、最单纯的科学概念,就像是一 座座历史丰碑一样,人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空,对自然界的认识更加清晰。 从十大经典科学实验评选本身, 我们也能清楚地看出 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。 本研究性学习探究其中的 5 篇实验。

一.双缝实验
1.起源

托马斯?杨(Thomas Young,1773—1829) 于 1801 年进行了一次光的干涉实验,即著名的杨氏双孔干涉实验,并首次肯定了光 的波动性。随后在他的论文中以干涉原理为基础,建立了新的波动理论,并成功解释了牛顿 环,精确测定了波长。 1803 年,杨把干涉原理用以解释衍射现象。 1807 年,杨发表了《自然哲学与机械学讲义》(A course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts),书中综合整理了他在光学方面的理论与实验方面 的研究,

并描述了双缝干涉实验,后来的历史证明,这个实验完全可以跻身于物理学史上最经 典的前五个实验之列。 但是他认为光是在以太媒质中传播的纵波。 这与光的偏振现象产生了 矛盾,然而杨并未放弃光的波动说。 杨的著作点燃了革命的导火索,光的波动说在经过了百年的沉寂之后,终于又回到了 历史舞台上来。但是它当时的日子并不好过,在微粒说仍然一统天下的年代,杨的论文开始 受尽了权威们的嘲笑和讽刺,被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”。在近 20 年间竟然无人问 津,杨为了反驳专门撰写了论文,但是却无处发表,只好印成小册子。但是据说发行后“只 卖出了一本”。 1818 年菲涅耳(Augustan Fresnel,1788—1827)在巴黎科学院举行的一次以解释衍 射现象为内容的科学竞赛中以光的干涉原理补充了惠更斯原理, 提出了惠更斯-菲涅耳原理, 完善了光的衍射理论并获得优胜。早于 1817 年在面对波动说与光的偏振现象的矛盾时,杨 觉察到如果光是横波或许问题可以得到解决, 并把这一想法写信告诉了阿拉果 (D.F.Arago, 1786—1853),阿拉果立即把这一思想转告给了菲涅耳。于是当时已独自领悟到这一点的菲 涅耳立即用这一假设解释了偏振现象, 证明了光的横波特性, 使得光的波动说进入一个新的 时期。

2.实验方法
做本实验用的全部装置如图所示,在可旋转式光具座导轨 1 的一端用滑块固定光源 2, 光源灯泡由 J1201 型低压电源的交流输出供电,3 是光源用单缝,缝宽 0.11mm,光具架 4 装在另一滑块上,4 中间安装双缝 5,缝宽 0.016~0.020mm,缝距 0.080mm,导轨另一端用 长滑块固定。

6 是观察筒。各光具的光轴要和导轨平行并大致共轴.光源灯泡是“12V 50W”卤钨灯, 为了延长它的寿命,开始先用 6V 点亮,避免很大的冲击电流,然后根据实验所需的亮度逐 渐升高电压,但不得超过 12V 实验前的调整:只装上光源 2,在导轨另一端装毛玻璃屏,转动光源,使射出的光束在 屏的中央形成光斑.再装上光源单缝、光具架和双缝,单缝取竖直方向,双缝外环上的指示 线对准光具架上的零刻线,双缝距离单缝 5~10cm.此时顺着光的传播方向看,通过单缝的

光形成的窄条形光斑应恰好落在双缝上, 如偏斜则应转动光源和单缝使之对准. 即单缝与双 缝平行.再取下毛玻璃屏.装上观察筒,对准光具架稍加转动,就能由大透镜看到筒内毛玻 璃屏上呈现不少于 5 条的彩色干涉条纹. 观察筒入光口装有可平移的方形光栏, 用以挡住环 境中的杂散光的干扰, 使视场中的干涉条纹清晰可见. 如果干涉条纹形状不好或不出现条纹, 可能是单缝与双缝不平行,再仔细调节即可.在光源上加滤色片,可看到近乎单色的明暗相 间的干涉条纹,还可加不同颜色的玻璃,看到的干涉条纹间距离不同.使光源适当靠近双缝 可增加干涉明条纹的亮度,使明暗条纹反差增大.使观察筒离双缝远些,干涉条纹间距离变 大,但亮度要减弱. 这个实验在不太亮的教室中就能进行,转动光具座导轨,让全班学生在座位上轮流观 察。

3.原理
两个相干光源干涉会产生干涉条纹,例如杨氏干涉两相邻直条纹的间距为△x=λ l/d, 其中 d 为两个狭缝中心的间距, λ 是单色光波波长, ι 是双缝屏到和它平行的考察屏的距离。 菲涅耳(Fresnel)双棱镜以折射的方式分割由 S 发出的波阵面,其本质就是一个变样的杨 氏双缝干涉,工作原理和杨氏双缝干涉一样。

4.内容步骤
光路调节
⑴将单色光源 M、会聚透镜 L、狭缝 S、双棱镜 AB 与测微目镜 P,按图 16-2 所示次

序放置在光具座上,用目视粗略地调整它们中心等高、共轴,并使双棱镜的底面与系 统的光轴垂直,棱脊和狭缝的取向大体平行。 ⑵点亮光源 M,通过透镜照亮狭缝 S,用手执白纸屏在双棱镜后面检查;

干涉条纹
⑴减小狭缝宽度(以提高光源的空间相干性),一般情况下可从测微目镜观察到不太 清晰的干涉条纹。 ⑵绕系统光轴缓慢地向左或右旋转双棱镜 B,当转到双棱镜脊与狭缝的取向严格平行 时,显现出清晰的干涉条纹。

⑶为便于测量,在看到清晰的干涉条纹后,应将双棱镜或测微目镜前后移动,使干涉 条纹的宽度适当,同时只要不影响条纹的清晰度,可适当增加缝宽,以保持干涉条纹有足够 的亮度。

测量
在双棱镜和目镜之间插放凸透镜 L,并调节 L 的位置和目镜的位置,

使得从目镜里能看到清晰的双缝象。当这个象和分划版上的叉丝之间无视差时,用测 微目镜量出双缝象的间距 do′再量出成象时的物距 u(即狭缝 S 到透镜 L 的距离)和象距 v (即透镜 L 到分划版之间的距离),即可根据 d=d’u/v 算出两个虚光源 S1、S2 的间距 d。 最后,可以根据 DX、ι 和 d 算得准单色光源的波长λ 。

5.自己的感受
研究了托马斯杨的双缝干涉实验,我明白了物理要有探索精神,探索需要毅力、恒心和吃苦 的精神,探索要有明确的方向、正确的方法,怀疑是探索的源泉,不满足是探索的动力。人 类对未知的探索是永恒的。我们还要学习他们的钻研精神,这源于对他们科学的热带,对探 索世界的渴望。因为在物欲横流的时代,人人急功近利,踏踏实实做学问的人太少了。我以 后要学习他们的精神,好好学习,争取做和他们一样伟大的人!

二.伽利略自由落体实验
一:简介
伽利略(1564~1642)1564 年 2 月 15 日生于意大利西北部的比萨城,父亲芬琴齐奥· 伽 利莱精通音乐理论和声学,著有《音乐对话》一书。1574 年全家迁往意大利东部的大城市 佛罗伦萨。伽利略自幼受父亲的影响,对音乐、诗歌、绘画以及机械兴趣极浓;也像他父亲 一样,不迷信权威。17 岁时遵从父命进比萨大学学医,可是对医学他感到枯燥无味,而在 课外听家族世交、著名学者 O· 里奇讲欧几里得几何学和伽利略静力学,感到浓厚兴趣。后 来成为伟大的物理学家、 天文学家、 科学革命的先驱, 是人类改变世界的大科学家之一, 1642 年 1 月 8 日病逝,终年 78 岁。

二:实验图文

三:实验推理
在伽利略的时代, 技术不够发达, 通过直接测定瞬时速度来验证一个物体是否做匀变速 运动,是不可能的,但是,伽利略应用数学推理得出结论:做初速度为零的匀变速运动的物 体通过的位移与所用时间的平方成正比,即 s=at^2 这样,只要测出做变速运动的物体通过 不同位移所用的时间,就可以验证这个物体是否在做匀变速运动。 伽利略是怎样推出 s=1/2gt^2 的呢?他的思路大致如下:先由平均速度 得出 s= Vt。他 推断初速度为零、末速度为 v 的匀变速运动的平均速度 v=(v0+v 末)/2,然后应用这个关系得 出 s= v 末 t/2。再应用 g=(v 末-v0)/t 从上式消去 v 末,就导出 s= gt^2/2 ,即 s=1/2gt^2。

四:实验步骤
1.把铁架平台放在桌面边缘上,将打点计时器固定在铁架台上,注意打点计时器的安 装要使两个限位孔在同一竖直线上,以减少摩擦阻力。 2.纸带下端挂重物、穿过打点计时器,上端用夹子夹好,并调整纸带顺利穿过限位孔, 用手托住重物。 3.接通电源,待打点稳定后打开夹子,释放纸带; 4.纸带离开打点计时器后,关闭电源,取下纸带; 5.换上新纸带,重复操作三次。 6.在纸带下端重新换上另一重物,重复上述操作,打完后立即关闭电源。 7.换上新纸带,重复操作三次。 8.将所得纸带中各点的速度计算出来填入下列表格中:

五:实验验证
自由落体下落的时间太短, 当时用实验直接验证自由落体是匀加速运动仍有困难, 伽利 略采用了间接验证的方法,他让一个铜球从阻力很小的斜面上滚下,做了上百次的实验,小 球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落时的加速度小得多, 所以时间容易测量些。 实验结 果表明,光滑斜面的倾角保持不变, 从不同位置让小球滚下,小球通过的位移跟所用时间 的平方之比是不变的即位移与时间的平方呈正比。 由此证明了小球沿光滑斜面向下的运动是 匀变速直线运动, 换用不同质量的小球重复上述实验, 位移跟所用时间的平方的比值仍不变, 这说明不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的情况是相同的。 不断增加大斜面的倾角,重复上述实验,得出的值随斜面倾角的增加而增大,这说明 小球做匀变速运动的加速度随斜面倾角的增大而变大。

六:感想
容易操作,实验简单,方便。容易计算,不会浪费大量的时间。

三.牛顿用棱镜分解太阳光
1.人物

牛顿,

1642 年出生在英国,是

世界近代科学技术史上伟大的物理学家、天文学家和数学家。他一生中,不仅在经典力学研 究上作出了卓越的贡献,是经典力学的奠基者。而且在热学、光学、天文、数学等方面都作 出了卓越的贡献。 牛顿一生中曾花费不少精力从事光学方面的研究, 并取得了许多出色的成 就。 牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。 他一个人独立完成的用棱镜分解太阳光实 验被评为“十大最美物理实验”之一。 当白光通过无色玻璃和各种宝石的碎片时, 就会形成鲜艳的各种颜色的光, 这一事实早在牛 顿的几个世纪之前人们就已有了解。 当时大家都认为白色是一种再纯不过的光, 而平常我们 所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光,是不纯净的,这种结论直到 17 世纪大 家对这一种结论坚信不移,直到十七世纪中叶以后,牛顿通过实验研究了这个问题,完全颠 覆了人们对光的颜色的认识。

2.实验方法

牛顿的实验是这样做的:把一间屋的所有窗户、门等透光的地方用厚实的布遮挡起来,屋子 里什么也看不见,这就制造了一个暗室。在暗室向太阳的一扇窗上开一个小孔,让一束窄的 太阳光通过这个小孔进入室内, 在光束经过的路径上放一块三角形的玻璃棱镜, 如图 1 所示。 小洞对面的墙上就会观察到一个由各种颜色的圆斑组成的像, 颜色的排列是红、 橙、 黄、 绿、 青、蓝、紫,偏离最大的一端是紫光,偏离最小的一端是红光。牛顿把这个颜色光斑叫做光

谱。牛顿为了解释三棱镜实验中白光的分解现象,认为白光是由各种不同颜色光组成的,玻 璃对各种色光的折射本领不同,当白光通过棱镜时,各色光以不同角度折射,结果就被分开 成颜色光谱.白光通过棱镜时,向棱镜的底边偏折,紫光偏折最大,红光偏折最小。棱镜使 白光分开成各种色光的现象叫做光的色散。严格地说,光谱中有很多各种颜色的细线,它们 都及平滑地融在相邻的细线里,以至使人觉察不到它的界限。 但是光凭这个实验还不足以令人信服地证明白光(太阳光)具有复杂的成份,并可以分解为单 一颜色光。 因为牛顿之前的人们对这个实验一直有另一种解释, 即认为白光通过棱镜后之所 以变成依次排列的各种光, 并不是白光本身具有复杂成份的缘故, 而是白光与棱镜相互作用 的结果。为此,牛顿又设计了另一个实验,牛顿把这个实验称为“判决性实验”,即在玻璃三 棱镜后面放一张白纸 AB 作为光屏(如图 2), 在这张白纸上再开一个小孔, 让透过这个小孔的 光线再经过第二个玻璃三棱镜,并在它后面放一个新的白纸 CD。他设想:若白光通过棱镜 变成各种颜色的光是由于白光与棱镜相互作用的结果, 那么, 第二个棱镜还会与这些光再发 生作用而改变这些光的颜色。 但实验表明, 第二个棱镜只是把这束光整个地偏转一定的角度, 并不改变光的颜色。牛顿转动第一个棱镜,使光谱中不同颜色的光先后依次通过白纸 AB 上 的小孔,在所有这些情形下,这些不同颜色的光并不能被第二个棱镜再次分解,都只是偏转 了一定的角度, 并且对于不同颜色的光的偏转角度也不同。 如让第一个屏上的黄光透过小孔 射到第二个棱镜上,则屏 CD 上可看到有两条明亮的黄线组成,但不论把这两条黄线分开到 何等程度,都不能改变它们的颜色。通过这些实验,牛顿得出结论:白光能分解成不同颜色 的光,这些光已是单色的了,棱镜不能再分解它们。 为了进一步证明白光是由各种颜色的单色光组合而成的, 牛顿还做了一个实验, 他用棱镜将 白光束分解为光谱后,再通过另一个顶角较大的倒置棱镜(如图 3);他设想,由于第二个棱 镜顶角较大,使不同色光的偏折大于第一个棱镜,所以不同色光又会会聚起来,在第二个棱 镜后面的某一区域交汇,如在这区域内置一屏幕,则屏幕上将会重现出白光。实验现象与预 想的完全一致,从而证实了白光的确具有复杂的成份,并能分解成不同颜色的单色光。而棱 镜不能再分解它们,且每一种颜色的光都有自己确定的折射率。 牛顿指出,还可以用另一种方法把色光重新复合为白光。把光谱画在圆盘上成扇形,然后高 速旋转这个圆盘,圆盘就呈现白色。这种实验效果一般称为“视觉暂留效应”。眼睛视网膜上 所成的像消失后,大脑还可以把印象保留零点几秒种。从而,大脑可将迅速变化的色像复合 在一起, 就形成一个静止的白色像。 在电视屏幕上或电影屏幕上, 我们能够看到连续的图像, 其原因也正在于利用了人的“视觉暂留效应”。 通过上述实验, 牛顿为光的色散理论奠定了基础, 并使人们对颜色的解释摆脱了主观视觉印 象,从而走上了与客观量度相联系的科学轨道。同时,这一实验开创了光谱学研究的先端, 不久,光谱分析就成为光学和物质结构研究的主要手段。

3.个人感想
牛顿的实验很有意思,能发现许多好玩的事物,让我懂得了太阳光是一种复色光,可以 通过三棱镜将其分解为七种颜色的色光, 即该现象称为光的色散; 该现象进一步证实了太阳 光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫这七种颜色的色光组成的阳光,还有红外线具有热效应, 它位于红色光的外面。 让我感受到了物理, 科学的魅力。 增长了理论知识, 提高了操作技能, 将课本上学到的抽象的理论知识同实验操作相结合,让我能更快的学习好物理

四.卢瑟福发现核子实验

1.实验过程
1909 至 1911 年,英国物理学家卢瑟福(1871?1937)和他的合作者们做了以粒子轰击金 箔的实验,实验做法如下:在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋,它发出的 α 粒子从 铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线射到金箔上。α 粒子穿过金箔后,打到荧光屏上产生 一个个的闪光,这些闪光可以用显微镜观察到。整个装置放在一个抽成真空的容器里,荧光 屏和显微镜能够围绕金箔在一个圆周上转动。根据汤姆逊模型计算的结果,α 粒子穿过金箔 后偏离原来方向的角度是很小的。因为电子的质量很小,不到 α 粒子的七千分之一,α 粒于 碰到它,就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样,运动方向不会发生明显的改变;而正电荷又 是均匀分布的,α 粒子穿过原子时,它受到的原子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相 抵消,使 α 粒于偏转的力不会很大。 然而实验却得到了出乎意料的结果。绝大多数 α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少 数以粒子却发生了较大的偏转,并且有极少数粒子偏转角超过了 90 度,有的甚至被弹回, 偏转角几乎达到 180 度。这种现象叫做 α 粒子的散射。实验中产生的粒子大角度散射现象, 使卢瑟福感到惊奇, 因为这需要有很强的相互作用力, 除非原子的大部分质量和电荷集中到 一个很小的核上,否则大角度的散射是不可能的。 为了解释这个实验结果,卢瑟福在 1911 年提出了如下的原子核式结构学说:在原子的中 心有一个很小的核,叫做原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带 负电的电子在核外空间里绕着核旋转。 原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数, 所以 整个原子是中性的。电子绕核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力。 卢瑟福向人们描绘的原子世界,有些像太阳系里行星围绕太阳旋转一样,电子围绕着原 子核不停的旋转。

2.基 本 粒 子

物理学家们现在认为,自然界存在 3 类基本粒子--轻子、夸克和基本矢量玻色子。同时, 每一种粒子,无论是基本的或不是基本的,都有其相应的反粒子。 ? 对基本粒子的理论与 实验研究形成了高能物理学, 这一学科是在 1950 年左右从原子核物理学的研究中分出来的, 当时发展中的加速器技术使得寻找比质子和中子更“基本”的粒子相对容易了。之后,陆续发 现了大量的亚核粒子,它们有的是基本粒子,有的则不是。

3.自己的感受
我看了这些实验,我发现了物理的重要性,也知道了物理和我们的生活是息息相关的,也 许只要一个小小的发现就有可能使我们的生活发生翻天覆地的变化。 所以从现在起, 我也要 勇敢坚定的实现我的理想目标,为我们的祖国贡献一份力,就先让我从好好学习做起吧

五.测量地球圆周
1.人物

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。

2.测量地球圆周测量背景
在埃拉托色尼之前,也曾有不少人试图进行测量估算,如攸多克索等。但是,他们大 多缺乏理论基础,计算结果很不精确。埃拉托色尼天才地将天文学与测地学结合起来,第一 个提出设想在夏至日那天, 分别在两地同时观察太阳的位置, 并根据地物阴影的长度之差异, 加以研究分析, 从而总结出计算地球圆周的科学方法。 这种方法比自攸多克索以来习惯采用 的单纯依靠天文学观测来推算的方法要完善和精确得多, 因为单纯天文学方法受仪器精度和 天文折射率的影响,往往会产生较大的误差。

3.测量地球圆周测量方法

古希腊地理学家埃拉托色尼(Eratosthenes,公元前 275 一前 193)将天文学与测地学结合 起来,他选择同一子午线上的两地西恩纳(Scene,今天的阿斯旺)和亚历山大里亚,在夏 至日那天进行太阳位置观察的比较。 在西恩纳附近,尼罗河的一个河心岛洲上,有一口深井,夏至日那天太阳光可直射井底。这 一现象闻名已久,吸引着许多旅行家前来观赏奇景。它表明太阳在夏至日正好位于天顶。与 此同时, 他在亚历山大里亚选择了一个很高的方尖塔作参照, 并测量了夏至日那天塔的阴影 长度,这样他就可以量出直立的方尖塔和太阳光射线之间的角度。 获得了这些数据之后,他运用了泰勒斯的数学定律,即一条射线穿过两条平行线时,它们的 对角相等。 埃拉托色尼通过观测得到了这一角度为 7°12′, 即相当于圆周角 360°的 1/50。 由此表明,这一角度对应的弧长,即从西恩纳到亚历山大里亚的距离,应相当于地球周长的 1/50。 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。为了符合传统的 圆周为 60 等分制,埃拉托色尼将这一数值提高到 252 000 希腊里,以便可被 60 除尽。埃及 的希腊里约为 157.5 米,可换算为现代的公制,地球圆周长约为 39375 公里,经埃拉托色 尼修订后为 39360 公里,与地球实际周长引人注目地相近。

4.个人感想
埃拉托色尼的实验让我体会到了科学的伟大,人类智慧的伟大,不论在什么地方身处于 什么境遇都要有一颗敢于挑战敢于好奇的心, 2000 多年前,有人用简单的测量工具计算出 地 球的周长, 这个人就是埃拉托色尼, 埃拉托色 尼博学多才,他不仅通晓天文,而且熟知地 理;曾担任过亚历山大博物馆 的馆长。 细心的埃拉托色尼发现:离亚历山大城约 800 公 里的 塞恩城夏日正午的阳光可以一 直照到井底,因而这时候所有地面上的直立物都应该没有 影 子,就是从这样细小的事情中, 他不断探索,追寻,于是,最后他用简单的测量工具计算出 地球的 周长。这就是古希腊的埃拉托色尼。埃拉托色尼的精神值得我们学习,态度值得我 们敬佩,在面对我们生存的地球前,他的细心,聪慧,善于发现都是我的需要的,物理的魅 力还有很多,这只是其中的一个微不足道的,不过,通过对这个实验的研究,我将会以另一 种态度,一种更加认真细心的态度去学习物理。


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