物理学史上最美的十个实验.ppt

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1、物理学史上最美的十个实验在科学家眼里，美，应该怎样阐释？—用最简单的实验和设备获得最根本、最直接、最精确的科学结论，这就是美！无论在加速器中裂解亚原子粒子，还是测序基因序列，或分析一颗遥远恒星的摆动，这些让世界瞩目的实验常常动辄耗资百万美元，产生出洪水般汹涌的数据，并需要超高速计算机处理几个月。一些实验小组因此成长为一个个的小公司。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，他最近在美国的物理学家中作了一次调查，要求他们提名历史上最美丽的科学实验。《物理学世界》刊登了排名前10位的最美丽实验，其中的大多数都是

2、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。科学史上最美的十个实验之一 Double-slitelectrondiffraction双缝电子衍射牛顿和托马斯·杨对

3、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·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其它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。  将托马斯·杨的双缝演示改造一下可以很好地说明这一点。科学家们用电子流代替光束来解释这个实验。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·杨的双缝演示中出

4、现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。科学史上最美的十个实验之二 Galileo'sexperimentonfallingobjects伽利略的自由落体实验在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，因为伟大的亚里士多德已经这么说了。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。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故事：他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个物体同时落地。伽利略挑战亚里士多德的代价也许是他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学作出了最后的裁决。科学史上最美的十

5、个实验之三 Millikan'soil-dropexperiment密立根油滴实验很早以前，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·密立根开始测量电子的电荷。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。小盒子的顶部和底部分别连接一个电池，让一边成为正电板，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

6、一颗油滴的运动。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。科学史上最美的十个实验之四Newton'sdecompositionofsunlightwithaprism 牛顿用棱镜分解太阳光艾萨克·牛顿出生那年，伽利略与世长辞。牛顿1665年毕业于剑桥大学的三一学院，后来因躲避鼠疫在家里呆了两年，后来顺利地得到了工作。当时大家都认为白光是一种纯的没有其它颜色的光（亚里士多德就是这样认为的），而彩色光是一种不知何故发生变化的光。为了验证这个假设，牛顿把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，光在墙上被分解为不同

7、颜色，后来我们称作为光谱。人们知道彩虹的五颜六色，但是他们认为那是因为不正常。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，如果你深入地看看，会发现白光是非常美丽的。科学史上最美的十个实验之五 Young'slight-interferenceexperiment杨氏光的干涉实验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·杨用实验来验证这一观点。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

8、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。结果看到了相交的光线和阴影。