物理学的实验美

1、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

2、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，17731829） 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

3、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，17

4、881827）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，17861853），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

5、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0.0160020mm，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510cm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

6、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

7、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=l/d，其中d为两个狭缝中心的间距，是单色光波波长，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162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。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；干涉条纹减小狭缝宽度（以提

8、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。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。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=du/v算

9、出两个虚光源S1、S2的间距d。最后，可以根据DX、和d算得准单色光源的波长。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（15641642）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

10、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

11、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=at2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=1/2gt2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= gt2/2 ，即s=1/2gt2。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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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A

17、B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

18、，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

19、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

20、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（18711937）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，它发出的粒子从

21、铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线射到金箔上。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，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，不到粒子的七千分之一，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，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。绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数以粒子却

22、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

23、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

24、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

25、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