十大最美丽物理实验选讲

十大最美的物理实验

一个绚丽而有趣的自然现象——极光激光在油水中的传播路径平面镜成像的镜面对称点电荷电场分布的球面对称正电荷与负电荷的对称

磁场的对称性雪花形态各异，几乎找不出两片完全相同的雪花。

雪花的形态取决于晶体迅速穿越高空大气层时经历的温度、水汽及气流的变化。由于每一朵雪花都有自己独特的经历，所以雪花形态各异

谈到美，联想到自然美和艺术美，而对科学美，大多数人则不易感受到，这是因为科学美与艺术美是两种不同形式的美，从美学的角度来讲，一种是事物外在形式所呈现的美，如自然景色的美，音乐的美，雕塑的美，绘画的美，建筑物的美等。另一种是事物内在结构的和谐、秩序而具有的美，这种美比较抽象，是要经过大脑整理、加工形成美的意识或美的观点。这是一种较高层次上的审美。引言【评选过程】

罗伯特·克瑞丝是美国纽约大学石溪分校哲学系的教员、布鲁克海文国家实验室的历史学家，他及另一位学者，在全美物理学家中作了一次调查，要求他们提名有史以来最美丽的十大物理实验，结果刊登在2002年9月份的《物理学世界》杂志上。纽约大学中心的华盛顿广场公园十大最美的物理实验十大最美的物理实验【共同特点】这些实验都是用最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯、最重要的科学概念。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。

【意义】这些实验“抓”住了物理学家眼中“最美的”科学之魂，就像一座座历史丰碑，把人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，使人们对自然界的认识更加清晰。从十大实验评选本身，我们能够清楚地看出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。

十大最美的物理实验1.托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验（1960年）2.伽利略的自由落体实验（16世纪末）3.罗伯特•密立根的油滴实验（1907-1913年）4.牛顿的棱镜分解太阳光（1666年）5.托马斯·杨的光干涉实验（1830年）6.卡文迪许的扭矩实验（1798年）7.埃拉托色尼测量地球圆周长（公元前3世纪）8.伽利略的加速度实验（16世纪末）9.卢瑟福发现核子实验（1911年）10.米歇尔·傅科钟摆实验（1851年）十大最美的物理实验1.埃拉托色尼测量地球圆周长（排名第七）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。1.埃拉托色尼测量地球圆周长公元前240年前后，在希腊的亚历山大城图书当馆长的埃拉托色尼注意到在夏至的中午，阳光可以直射到位于亚历山大城附近的小镇塞恩的一口枯井的井底，直立的物体没有影子，也就是说太阳正好就悬挂在塞恩城的正上方。他发现在同一天同一时间，在亚历山大城地面上的物体有一段很短的影子，阳光是斜射进亚历山大城的，为什么会出现这种现象？1.埃拉托色尼测量地球圆周长【实验装置及原理】

在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大的同一地点测量了物体的影子。发现太阳光线有轻微的倾斜，在垂直向偏离大约7.2度角。假设地球是球状，那么它的圆周应跨360度。如果两座城市成7.2度角，即相当于圆周角360°的l／50。由此表明，这一角度对应的弧长，即从塞恩到亚历山大里亚的距离，应相当于地球周长的1/50。1.埃拉托色尼测量地球圆周长

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（一个希腊运动场的长度，约150米）。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。

39375km

1.埃拉托色尼测量地球圆周长【重大发现】证明了大地（即地球）的形状是一个球形，并第一次测量了其大小。【深远意义】为环球旅行、地理大发现以及天文学的发展等奠定了坚实的实验基础。埃拉托色尼的测量结果是十分准确的。今天，通过航迹测算，我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在5％以内，对埃拉托色尼所处的时代来说，这一结果是十分惊奇的。

地球平均半径：6372.8km

地球周长：40021.2km

HenryCavendish（1731-1810）英国科学家，称量地球第一人。2.卡文迪许扭矩实验（排名第六）

万有引力定律牛顿的一大贡献，但是万有引力到底多大？18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪许决定对此进行测量。

2.卡文迪许扭矩实验【实验装置及原理】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，即可测出万有引力的大小，从而确定万有引力常数的数值。下图是卡文迪许使用的装置图。2.卡文迪许扭矩实验万有引力定律：卡文迪许的计算结果是：地球重5.96×1024千克。测量结果惊人的准确，他测出了万有引力常量的参数：在此基础上卡文迪许计算了地球质量。13万亿万亿磅。【重大发现】证明了万有引力的存在，精确测量了其大小，并用实验证明了万有引力常数确实是个恒量。【深远意义】不仅从实验上直接支持了牛顿的万有引力定律，使其成为更加完美的理论。而且为爱因斯坦创立广义相对论提供了试验前提。2.卡文迪许扭矩实验亨利·卡文迪许轶事（1731～1810)

特别腼腆，他跟任何人接触都会感到局促不安，连他的管家都要以书信的方式跟他交流。终生未婚，过着奇特的隐居生活。卡文迪许为了搞科学研究，把客厅改作实验室，在卧室的床边放着许多观察仪器，以便随时观察天象。他从祖上接受了大笔遗产，成为百万富翁。不过他一点也不吝啬。有一次，他的一个仆人因病生活发生困难，向他借钱，他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票，还问够不够用。

1810年卡文迪许逝世后，他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里，谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70年，一直到了1871年，另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时，这些充满了智慧和心血的笔记获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞，不由大惊失色，连声叹服说：“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家，他几乎预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”此后麦克斯韦决定搁下自己的一些研究课题，呕心沥血地整理这些手稿，使卡文迪许的光辉思想流传了下来。卡文迪许实验室他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪许将自己的一笔财产捐赠剑桥大学于1871年建成实验室，它最初是以H.卡文迪什命名的物理系教学实验室，后来实验室扩大为包括整个物理系在内的科研与教育中心，并以整个卡文迪许家族命名。该中心注重独立的、系统的、集团性的开拓性实验和理论探索，其中关键性设备都提倡自制。这个实验室曾经对物理科学的进步作出了巨大的贡献。近百年来卡文迪许实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆逊、卢瑟福等先后主持过该实验室。

姓

名获奖年代主要贡献瑞利第三1904研究气体密度，发现氮J.J.汤姆逊1906气体导电的理论和实验研究卢瑟福1908因放射性研究获诺贝尔化学奖W.H.布拉格、W.L.布拉格1915用x射线研究晶体结构巴克拉1917发现作为元素特征的二次X射线阿斯顿1922因发明质谱仪而获诺贝尔化学奖C.T.R.威尔逊1927发现用蒸汽凝结的方法显示带电粒子的轨迹理查森1928研究热电子现象，发现理查森定律查德威克1935发现中子从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者姓

名获奖年代主要贡献G.P.汤拇逊1937电子衍射阿普列顿1947上层大气的物理特性布莱开特1948改进威尔逊云室，由此在核物理和宇宙线领域中有新发现鲍威尔1950照相乳胶探测技术科克拉夫特、瓦尔顿1951用人工加速原子粒子实现原子核嬗变泡鲁兹、肯德纽1962用X射线分析大分子蛋白质的结构，获诺贝尔化学奖克利克、瓦森、维尔京斯1962发现去氧核糖核酸的双螺旋结构，获生理学或医学奖从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者姓

名获奖年代主要贡献约瑟夫逊1973发现约瑟夫森效应赖尔1974射电天文学赫维赛1974发现脉冲星莫特1977磁性与无规系统的电子结构从卡文迪什实验室出身的诺贝尔奖获得者与卡文迪什实验室有密切关系的诺贝尔物理学奖获得者姓名获奖年代主要贡献玻尔1922研究原子结构和辐射康普顿1927发现康普顿效应狄拉克1933建立新的原子理论P.W.安德逊1977磁性与无规系统的电子结构卡皮查1978低温物理学3.米歇尔·傅科钟摆实验（排名第十）如何证明地球自转？16世纪时，“太阳中心说”的创始人哥白尼曾依据相对运动原理提出了地球自转的理论。可从他提出这一理论后的相当长一段时间内，这一理论只能停留在让人们从主观上接受的水平。直到19世纪中叶，在全世界物理学家面前依然摆着一道难题：证明地球的自转——就是证明地球本体的旋转运动。地球环绕太阳运动的同时，自身也在不停地旋转着，这种旋转运动就叫做“地球自转”。旋转1天，约等于24小时。我们在地球上，看到日月星辰每天东升西落，这就是地球自转的证明。”物理学家们说，“这个道理就好比我们坐在旋转的木马上，看到周围的景物在旋转一样。”

1851年，法国科学家傅科在巴黎国葬院做了一个实验，用一根长220英尺（67米）的钢丝吊着一个62磅重（28千克）的头上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它的摆动轨迹。3.米歇尔·傅科钟摆实验傅科摆

观众发现钟摆每次摆动都会稍稍偏离原轨迹并发生旋转时，无不惊讶。实际上这是因为房屋在缓缓移动。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个小时一周期。在南半球，钟摆应是逆时针转动，而在赤道上将不会转动。在两个极点，转动周期是24小时。3.米歇尔·傅科钟摆实验北京天文台里的傅科摆伽利略(Galileo，1564-1642)，意大利物理学家、天文学家、哲学家，近代实验科学的先驱者。被誉为是“经典物理学的奠基人”。4.伽利略的自由落体实验（排名第二）亚里士多德亚里士多德，古代先哲，古希腊人，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。他是柏拉图的学生，亚历山大（古代马其顿国王）的老师。一位百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献。他的写作涉及伦理学、形而上学、心理学、经济学、神学、政治学、修辞学、自然科学、教育学、诗歌、风俗，以及雅典法律。吾爱吾师，吾更爱整理。在物理学的力学上，亚里士多德的成就也不少，但最常被提到的，却是他所犯的错误。“物体下落的速度和重量成正比。”即重的物体下落的快。亚里士多德的说法统治人们思想长达2000多年，直到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。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。【实验装置及原理】1590年的一天，在比萨斜塔上，他将一个重10磅，一个重1磅的铁球同时抛下，几乎同时落地。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。4.伽利略的自由落体实验

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?5.伽利略的加速度实验（排名第八）【实验装置及原理】伽利略做了一个6米多长、3米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。

“为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到。然后用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值。精确度如此之高，以至于重复许多遍，结果都没有明显的差别。”

铜壶漏滴（水钟）

亚里士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与时间的平方成比例：两倍的时间里，铜球滚动4倍的距离，因为存在恒定的重力加速度。伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。

5.伽利略的加速度实验为惯性定律和自由落体定律的发现奠定了坚实的实验基础。把真实实验和理想实验相结合，把经验和理性(包括数学论证)相结合的方法，是伽利略对近代科学的重大贡献。伽利略对近代科学的贡献

伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。

——爱因斯坦Newton（1643-1727）英国物理学家、天文学家、数学家。

6.牛顿的棱镜分解太阳光实验（排名第四）

亚里士多德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。

从1670年到1672年，牛顿研究了光的折射。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。白光实际上是非常美丽的。6.牛顿的棱镜分解太阳光实验

6.牛顿的棱镜分解太阳光实验

深远意义：不仅为颜色理论奠定了基础，而且为光谱学的研究和发展开辟了道路。ThomasYoung(1773-1829)英国医生、物理学家，光的波动说的奠基人之一。7.托马斯·杨的光双缝干涉实验（排名第五）水波干涉光的本性是光学研究的重要课题。光是粒子还是波，这个问题在历史上经历了三个世纪的争论。

牛顿的微粒说VS惠更斯的波动说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·杨用实验对牛顿的观点提出了严峻的挑战。7.托马斯·杨的光双缝干涉实验7.托马斯·杨的光双缝干涉实验【实验装置及原理】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。然后他再用一个厚约1／30英寸的纸片把这束光从中间分成两束，结果看到在两束光相交的区域中，出现了亮线和阴影，即产生了光的干涉现象。

7.托马斯·杨的光双缝干涉实验【重大发现】使人类首次看到了光的干涉现象，证明了光是一种波。【深远意义】为光的波动学说的胜利奠定了坚实的实验基础，使人类对光的本性的认识更近了一步；为干涉计量学的研究和发展开辟了道路；为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。后来该实验发展为双缝实验，下左图是自然白光双缝干涉条纹，下右图是红光双缝干涉条纹。

7.托马斯·杨的光双缝干涉实验肥皂泡蜻蜓的翅膀对光的本性的认识

牛顿和托马斯·杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确。光既不是简单的由微粒构成，也不是一种单纯的波。20世纪初，麦克斯·普克朗和阿尔伯特·爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他实验还是证明光是一种波状物。经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理：光子和亚原子微粒（如电子、光子等等）是同时具有两种性质的微粒，物理上称它们：波粒二象性。

【实验装置】

1960年，约恩孙将托马斯·杨的双缝实验进行改造，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。约恩孙制作出长为50mm、宽为0.3mm、缝间距为1mm的双缝，并把一束电子加速到50keV，然后让它们通过双缝。电子狭缝屏幕干涉条纹8.托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验（排名第一）

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。模拟图8.托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验单电子双缝干涉图（a）8个电子（b）270个电子（c）2000个电子（d）60000个电子8.托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验【重大发现】证明了物质波的存在，为光及实物粒子（特别是亚原子微粒）波粒二象性学说提供了直接的实验支持。【深远意义】为量子力学的建立，特别是为量子力学波动方程的概率解释提供了实验基础。

9.罗伯特·密立根的油滴实验（排名第三）

罗伯特·安德鲁·密立根(1868～1953)，美国实验物理学家，由于其在测定电子电荷以及光电效应的出色工作被授予1923年诺贝尔物理学奖。

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。9.罗伯特·密立根的油滴实验【实验装置及原理】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。用一个电池分别与小盒子的顶部和底部连接，使之一边成为正电板，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，当电场力与空气浮力的和等于重力时，即可测量出油滴所带电荷的值。9.罗伯特·密立根的油滴实验【重大发现】经过反复实验，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。

9.罗伯特·密立根的油滴实验

密立根在诺贝尔奖颁奖典礼上，表示他的计算值等于1.5924(17)x10−19库仑。到2006年为止，已知基本电荷值为1.60217653(14)x10−19库仑。【深远意义】不仅精确测量了电子所带电荷的大小，而且揭示了电荷的分立性。尤其是首次通过实验证实了物质世界的不连续性。9.罗伯特·密立根的油滴实验密立根当年用的实验装置，经过不断改进，现在的实验装置已经变得非常的小巧、易于操作了，但基本都是依照下面的原理图制成的。9.罗伯特·密立根的油滴实验卢瑟福Rutherford（1871-1937）

被公认为是二十世纪最伟大的实验物理学家，在放射性和原子结构等方面，都做出了重大的贡献。他被称为近代原子核物理之父。

10.卢瑟福发现核子实验（排名第九）

道尔顿：一切物质都是由不可再分的原子组成的，即原子的实心球模型。（1803年）1911年卢瑟福还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