物理学史-实验和实验室在物理学发展中的地位和作用

1、实验和实验室在物理学发展中的地位和作用实验在物理学发展中的和作用实验在物理学发展中的和作用实验室在物理学发展中的地位实验室在物理学发展中的地位实验在物理学发展中的和作用 物理学是以实验为本的科学。在物理学的发展中, 实验起了重要作用。它是人们根据研究的目的, 运用科学仪器,人为地控制、创造或纯化某种自然过程, 使之按预期的进程发展,同时在尽可能减少干扰的情况下进行观测, (定性的或定量的), 以探求该自然过程变化规律的一种科学活动。 实验实验和观察观察都是搜集事实的科学实践, 但两者有所不同。是不同层次的认识手段, 起着不同的作用,两者不可偏废。 实验实验和生产生产劳动也有根本区别。两者都有改

2、造世界的任务, 但目的并不相同。 伽利略的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了重要依据; 库仑通过滑板实验提出摩擦定律; 胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验、波雷里的表面张力实验为物理学提供了新事实和新规律。在物理学的发展中, 从经典物理学到现代物理学, 著名的物理实验不胜枚举, 从事实验工作的物理学家何止成千上万。他们置身于艰苦的实验研究之中, 为推动物理学的发展努力奋斗。他们的目标是什么? 对物理学的发展起了什么样的推动作用?纵观物理学三百余年的发展史, 可以概括成如下几个方面: 一、发现新事实一、发现新事实, , 探索新规律探索新规律 力学 库仑定律的验证、欧姆定律的建立、奥斯特发现

3、电流的磁效应、法拉第发现电解定律和电磁感应现象, 无一不是通过大量实验得出的。电学 光的干涉、衍射、偏振以及双折射等现象也都是首先在实验中发现的, 这些实验说明了光的波动性; 从色散的研究到光谱学的发展, 实验更是基本的认识途径, 正是这一系列研究把人们带进了原子领域。力学 19 世纪末, 经典物理学发展到了相当完善的地步, 人们纷纷认为物理学已经到顶了, 以后只是把常数测得再准些, 向小数点后面推进而已。然而, 正是实验的新发现打破了沉闷的空气, 揭示了经典物理学的严重不足。世纪之交的三大发现开拓了新的领域, 把物理学推进到一个新阶段。 物理学有许多分支, 汇合起来组成物理学的主干, 每个分

4、支在其发展之初, 都有大量的实验为之奠基, 各分支在其发展的各个阶段大多有新的实验补充新的事实, 从而使各分支更加充实, 更加全面。这一切说明了: 实验, 只有实验, 才是物理学的基础。 二、检验理论二、检验理论, , 判定理论的适用范围判定理论的适用范围例如例如: : 麦克斯韦的电磁场理论以一组简洁的数学方程概括得十分优美对称, 但当年却难以令人信服。直到二十多年后他预言的电磁波被赫兹的实验证实, 他的学说才成为举世公认的电磁理论基础。1905年, 爱因斯坦用光电子假说总结了光的微粒说和波动说之间长期的争论,能很好地解释勒纳德的光电效应实验结果但是直到1916年,当密立根以极其严密的实验全面

5、地证实了爱因斯坦的光电方程之后, 光的粒子性才为人们所接受。同样, 德布罗意的物质波假说也是在实验发现电子衍射之后才得到肯定。从诺贝尔物理奖的颁发可以看到人们对实验检验的评价从诺贝尔物理奖的颁发可以看到人们对实验检验的评价表 14-1 诺贝尔物理奖颁奖年代获奖者及其获奖内容主要工作年代实验检验年代获奖年代爱因斯坦光电子理论190519161921德布罗意物质波理论192319271929汤川秀树介子理论193519471949李政道杨振宁宇称不守恒原理195619561957温伯格-萨拉姆-格拉肖弱电统一理论1967-19681973-19781979 实践是检验理论的客观标准。从表 14-1

6、 可以看出, 一个理论的正确性, 不仅在于它能说明多少现象, 也不仅在于它的自洽性,更重要的是它能否得到实验的肯定, 它所作的预言, 被尔后的实验证实到什么程度。 理论只有一定的适用范围,这个范围往往要靠实验来确定。理论与实验是物理学的两大部分, 相辅相成, 缺一不可。三、测定常数三、测定常数例如: 万有引力常数的数值, 自牛顿发现万有引力定律以来, 一直是人们力求测出和测准的对象；光速是测得最准的基本物理常数之一。 常数之间的协调是检验物理理论的重要途径, 从玻尔原子模型理论最初的论证可以找到范例。经这个理论比较不同渠道得到的里德伯常数, 在实验误差范围内基本相符, 说明了理论的自洽性。 四

7、、推广应用四、推广应用, , 开拓新领域开拓新领域n 不论是蒸汽技术还是电工技术都离不开实验,其中包括许多热学实验、物性学实验和电磁学实验。各种发明创造, 诸如杜瓦瓶、致冷机、电灯、电报等等, 无不是经过大量实验研究才逐渐完善的。n 进入二十世纪, 无线电电子学异军突起。从电子管到晶体管,从无线电报到雷达, 科学理论通过实验这一中间环节, 不断起着改造世界的作用, 包括补充和改造科学理论自身。n 在物理学工作者中,从事实验的有90%以上。他们工作各个方面,从光谱学到激光技术,从电子显微镜到扫描隧道显微镜,从低温技术到超导研究,无不凝聚了实验物理学家的心血。实验室在物理学发展中的地位n 最早的物

8、理实验往往是在私人住宅中进行的, 研究者经常把自己的住房的一部分当作科学研究的场所。实验室的早期历史n 实验室作为一个进行实验的专门场所或建筑物, 并不是最先从物理学开始的。化学实验室和天文学观测站比物理实验室早得多。n 近代化学的奠基人很重视实验室的建设。俄国的罗蒙诺索夫说服了俄国科学院在彼得堡于 1748 年建立了一所装备精良的实验室。著名化学家拉瓦锡( lavoisier) 于17761792 年在巴黎兵工厂建立的实验室装备优良, 对科学界影响较大。n 英国另一所著名的实验基地叫英国皇家研究所,原来也是化学实验室, 由伦福德创建于1800年,其宗旨是进行科学知识的普及。众所周知,在这个研

9、究所里, 法拉第以毕生精力研究了各种电化学和电磁现象, 发现了电解定律、电磁感应和磁光效应。19 世纪的物理实验室n 19 世纪初, 法国是实验研究的中心例如: 以精密量计著称的法国工艺学院( cnam) 开始是博物馆之类的场所, 1829 年建成实验室。最早的规模较大的物理实验室要算柏林大学的物理实验室了。它是由马格努斯(h. g. magnus, 18021870) 创建的,由于规模逐渐扩大, 柏林大学给予适当的财政资助, 这所私人实验室转变成大学机构的一部分, 1863 年正式成为柏林大学物理实验室, 是当时世界上屈指可数的一所正规物理实验，柏林大学也因此成为欧洲物理学研究中心之一。柏林

10、大学物理实验室的成功经验吸引了英国同行的注意, 也开始按德国的模式建立实验室。1846 年, 开尔文被任命为格拉斯哥(glasgow) 大学物理学教授。,他将讲堂附近一座废弃了的酒窖布置成一个实验室, 。到 1866 年, 这所实验室才正式被大学承认。英国当时还有几所大学建立了物理实验室, 但未纳入正规的物理课程, 也没有规定学生必须参加研究。待到 19 世纪后期, 牛津大学建立了克拉伦敦(clarendon) 实验室, 剑桥大学建立了卡文迪什实验室。这两所实验室在世界上都很有名, 其中尤以卡文迪什实验室的影响最大。物理实验室的典范卡文迪什实验室n 在现化物理学的发展中, 实验室的建设更具有重

11、要意义。卡文迪什实验室作为 20 世纪物理学的发源地之一, 它的经验具有特殊的意义。n 卡文迪什实验室相当于英国剑桥大学的物理系。剑桥大学建于1209 年, 历史悠久,与牛津大学遥相对应。卡文迪什实验室创建于1871 年,1874年建成,是当时剑桥大学校长w.卡文迪什(william cavendish) 私人捐款兴建的(他是 h. 卡文迪什的近亲),这个实验室就取名为卡文迪什实验室。卡文迪什实验室外景早期的卡文迪什实验室第一任实验室主任： 麦克斯韦（1874-1879）第二任实验室主任： 瑞利勋爵（1842-1919）第三任实验室主任： j.j.汤姆孙爵士（1856-1940）第四任实验室主任： 卢瑟福（1919-1937）第五任实验室主任： 劳伦斯.布拉格（1938-1953）第六任实验室主任： 劳伦斯.布拉格（1954-1970）第七任实验室主任： 皮帕德（1971-1982）20世纪世界著名实验室实例进入二十世纪, 各类物理实验室如雨后春笋, 研究工作广泛开展。下面选取若干有代表性的, 对科学发展起过或正在起重要作用的物理实验室, 分别作些介绍。第一类是建立在大学里面, 附属于大学的实验室。例如: 一、荷兰的莱顿低温实验室 二、美国加州大学伯克利分校的劳伦斯辐射实验室第三类实验室直接归属于工业企业部门, 为工业技术的开发与研究服务。其中