物理學的實驗美

1、物理學的實驗美1.前言2005年9月份出版的物理學世界刊登了選出的排名前10位的最美麗實驗，其中的大多數都是我們耳熟能詳的經典之作。令人驚奇的是這十大實驗中的絕大多數是科學家獨立完成，最多有一兩個助手。所有的實驗都是在實驗桌上進行的，沒有用到什么大型計算工具比如電腦一類，最多不過是把直尺或者是計算器。 所有這些實驗共同之處是他們都僅僅“抓”住了物理學家眼中“最美麗”的科學之魂，這種美麗是一種經典概念：最簡單的儀器和設備，發(fā)現了最根本、最單純的科學概念，就像是一座座歷史豐碑一樣，人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對自然界的認識更加清晰。  從十大經典科學實驗評選本身，我們也

2、能清楚地看出2000年來科學家們最重大的發(fā)現軌跡，就像我們“鳥瞰”歷史一樣。本研究性學習探究其中的5篇實驗。一.雙縫實驗1.起源托馬斯楊（Thomas Young，17731829） 于1801年進行了一次光的干涉實驗，即著名的楊氏雙孔干涉實驗，并首次肯定了光的波動性。隨后在他的論文中以干涉原理為基礎，建立了新的波動理論，并成功解釋了牛頓環(huán)，精確測定了波長。1803年，楊把干涉原理用以解釋衍射現象。1807年，楊發(fā)表了自然哲學與機械學講義（A course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts），書中綜合整理了他在光

3、學方面的理論與實驗方面的研究，并描述了雙縫干涉實驗，后來的歷史證明，這個實驗完全可以躋身于物理學史上最經典的前五個實驗之列。但是他認為光是在以太媒質中傳播的縱波。這與光的偏振現象產生了矛盾，然而楊并未放棄光的波動說。楊的著作點燃了革命的導火索，光的波動說在經過了百年的沉寂之后，終于又回到了歷史舞臺上來。但是它當時的日子并不好過，在微粒說仍然一統天下的年代，楊的論文開始受盡了權威們的嘲笑和諷刺，被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”。在近20年間竟然無人問津，楊為了反駁專門撰寫了論文，但是卻無處發(fā)表，只好印成小冊子。但是據說發(fā)行后“只賣出了一本”。1818年菲涅耳（Augustan Fresnel，17

4、881827）在巴黎科學院舉行的一次以解釋衍射現象為內容的科學競賽中以光的干涉原理補充了惠更斯原理，提出了惠更斯-菲涅耳原理，完善了光的衍射理論并獲得優(yōu)勝。早于1817年在面對波動說與光的偏振現象的矛盾時，楊覺察到如果光是橫波或許問題可以得到解決，并把這一想法寫信告訴了阿拉果（D.F.Arago，17861853），阿拉果立即把這一思想轉告給了菲涅耳。于是當時已獨自領悟到這一點的菲涅耳立即用這一假設解釋了偏振現象，證明了光的橫波特性，使得光的波動說進入一個新的時期。2.實驗方法做本實驗用的全部裝置如圖所示，在可旋轉式光具座導軌1的一端用滑塊固定光源2，光源燈泡由J1201型低壓電源的交流輸出供

5、電，3是光源用單縫，縫寬0.11mm，光具架4裝在另一滑塊上，4中間安裝雙縫5，縫寬0.0160020mm，縫距0.080mm，導軌另一端用長滑塊固定。6是觀察筒。各光具的光軸要和導軌平行并大致共軸光源燈泡是“12V 50W”鹵鎢燈，為了延長它的壽命，開始先用6V點亮，避免很大的沖擊電流，然后根據實驗所需的亮度逐漸升高電壓，但不得超過12V實驗前的調整：只裝上光源2，在導軌另一端裝毛玻璃屏，轉動光源，使射出的光束在屏的中央形成光斑再裝上光源單縫、光具架和雙縫，單縫取豎直方向，雙縫外環(huán)上的指示線對準光具架上的零刻線，雙縫距離單縫510cm此時順著光的傳播方向看，通過單縫的光形成的窄條形光斑應恰好

6、落在雙縫上，如偏斜則應轉動光源和單縫使之對準即單縫與雙縫平行再取下毛玻璃屏裝上觀察筒，對準光具架稍加轉動，就能由大透鏡看到筒內毛玻璃屏上呈現不少于5條的彩色干涉條紋觀察筒入光口裝有可平移的方形光欄，用以擋住環(huán)境中的雜散光的干擾，使視場中的干涉條紋清晰可見如果干涉條紋形狀不好或不出現條紋，可能是單縫與雙縫不平行，再仔細調節(jié)即可在光源上加濾色片，可看到近乎單色的明暗相間的干涉條紋，還可加不同顏色的玻璃，看到的干涉條紋間距離不同使光源適當靠近雙縫可增加干涉明條紋的亮度，使明暗條紋反差增大使觀察筒離雙縫遠些，干涉條紋間距離變大，但亮度要減弱這個實驗在不太亮的教室中就能進行，轉動光具座導軌，讓全班學生在

7、座位上輪流觀察。3.原理兩個相干光源干涉會產生干涉條紋，例如楊氏干涉兩相鄰直條紋的間距為x=l/d，其中d為兩個狹縫中心的間距，是單色光波波長，是雙縫屏到和它平行的考察屏的距離。菲涅耳（Fresnel）雙棱鏡以折射的方式分割由S發(fā)出的波陣面，其本質就是一個變樣的楊氏雙縫干涉，工作原理和楊氏雙縫干涉一樣。4.內容步驟光路調節(jié)將單色光源M、會聚透鏡L、狹縫S、雙棱鏡AB與測微目鏡P，按圖162所示次序放置在光具座上，用目視粗略地調整它們中心等高、共軸，并使雙棱鏡的底面與系統的光軸垂直，棱脊和狹縫的取向大體平行。點亮光源M，通過透鏡照亮狹縫S，用手執(zhí)白紙屏在雙棱鏡后面檢查；干涉條紋減小狹縫寬度（以提

8、高光源的空間相干性），一般情況下可從測微目鏡觀察到不太清晰的干涉條紋。繞系統光軸緩慢地向左或右旋轉雙棱鏡B，當轉到雙棱鏡脊與狹縫的取向嚴格平行時，顯現出清晰的干涉條紋。為便于測量，在看到清晰的干涉條紋后，應將雙棱鏡或測微目鏡前后移動，使干涉條紋的寬度適當，同時只要不影響條紋的清晰度，可適當增加縫寬，以保持干涉條紋有足夠的亮度。測量在雙棱鏡和目鏡之間插放凸透鏡L，并調節(jié)L的位置和目鏡的位置，使得從目鏡里能看到清晰的雙縫象。當這個象和分劃版上的叉絲之間無視差時，用測微目鏡量出雙縫象的間距do再量出成象時的物距u（即狹縫S到透鏡L的距離）和象距v（即透鏡L到分劃版之間的距離），即可根據d=du/v算

9、出兩個虛光源S1、S2的間距d。最后，可以根據DX、和d算得準單色光源的波長。5.自己的感受研究了托馬斯楊的雙縫干涉實驗，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，探索要有明確的方向、正確的方法，懷疑是探索的源泉，不滿足是探索的動力。人類對未知的探索是永恒的。我們還要學習他們的鉆研精神，這源于對他們科學的熱帶，對探索世界的渴望。因為在物欲橫流的時代，人人急功近利，踏踏實實做學問的人太少了。我以后要學習他們的精神，好好學習，爭取做和他們一樣偉大的人!二.伽利略自由落體實驗一:簡介 伽利略（15641642）1564年2月15日生于意大利西北部的比薩城，父親芬琴齊奧·伽利

10、萊精通音樂理論和聲學，著有音樂對話一書。1574年全家遷往意大利東部的大城市佛羅倫薩。伽利略自幼受父親的影響，對音樂、詩歌、繪畫以及機械興趣極濃；也像他父親一樣，不迷信權威。17歲時遵從父命進比薩大學學醫(yī)，可是對醫(yī)學他感到枯燥無味，而在課外聽家族世交、著名學者O·里奇講歐幾里得幾何學和伽利略靜力學，感到濃厚興趣。后來成為偉大的物理學家、天文學家、科學革命的先驅，是人類改變世界的大科學家之一，1642年1月8日病逝，終年78歲。二:實驗圖文三:實驗推理 在伽利略的時代，技術不夠發(fā)達，通過直接測定瞬時速度來驗證一個物體是否做勻變速運動，是不可能的，但是，伽利略應用數學推理得出結論：做初速

11、度為零的勻變速運動的物體通過的位移與所用時間的平方成正比，即s=at2這樣，只要測出做變速運動的物體通過不同位移所用的時間，就可以驗證這個物體是否在做勻變速運動。 伽利略是怎樣推出s=1/2gt2的呢？他的思路大致如下：先由平均速度 得出s= Vt。他推斷初速度為零、末速度為v的勻變速運動的平均速度 v=(v0+v末)/2，然后應用這個關系得出s= v末t/2。再應用g=(v末-v0)/t 從上式消去v末，就導出s= gt2/2 ，即s=1/2gt2。四:實驗步驟 1把鐵架平臺放在桌面邊緣上，將打點計時器固定在鐵架臺上，注意打點計時器的安裝要使兩個限位孔在同一豎直線上，以減少摩擦阻力。 2紙帶

12、下端掛重物、穿過打點計時器，上端用夾子夾好，并調整紙帶順利穿過限位孔，用手托住重物。 3接通電源，待打點穩(wěn)定后打開夾子，釋放紙帶； 4紙帶離開打點計時器后，關閉電源，取下紙帶； 5換上新紙帶，重復操作三次。 6在紙帶下端重新換上另一重物，重復上述操作，打完后立即關閉電源。 7換上新紙帶，重復操作三次。 8將所得紙帶中各點的速度計算出來填入下列表格中：五:實驗驗證 自由落體下落的時間太短，當時用實驗直接驗證自由落體是勻加速運動仍有困難，伽利略采用了間接驗證的方法，他讓一個銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實驗，小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落時的加速度小得多，所以時間容易測量些。實驗

13、結果表明，光滑斜面的傾角保持不變， 從不同位置讓小球滾下，小球通過的位移跟所用時間的平方之比是不變的即位移與時間的平方呈正比。由此證明了小球沿光滑斜面向下的運動是勻變速直線運動，換用不同質量的小球重復上述實驗，位移跟所用時間的平方的比值仍不變，這說明不同質量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運動的情況是相同的。 不斷增加大斜面的傾角，重復上述實驗，得出的值隨斜面傾角的增加而增大，這說明小球做勻變速運動的加速度隨斜面傾角的增大而變大。六:感想 容易操作,實驗簡單,方便。容易計算,不會浪費大量的時間。三.牛頓用棱鏡分解太陽光1.人物牛頓，1642年出生在英國，是世界近代科學技術史上偉大的物理學

14、家、天文學家和數學家。他一生中，不僅在經典力學研究上作出了卓越的貢獻，是經典力學的奠基者。而且在熱學、光學、天文、數學等方面都作出了卓越的貢獻。牛頓一生中曾花費不少精力從事光學方面的研究，并取得了許多出色的成就。牛頓曾致力于顏色的現象和光的本性的研究。他一個人獨立完成的用棱鏡分解太陽光實驗被評為“十大最美物理實驗”之一。當白光通過無色玻璃和各種寶石的碎片時，就會形成鮮艷的各種顏色的光，這一事實早在牛頓的幾個世紀之前人們就已有了解。當時大家都認為白色是一種再純不過的光，而平常我們所見到的各種顏色是因為某種原因而發(fā)生變化的光，是不純凈的，這種結論直到17世紀大家對這一種結論堅信不移，直到十七世紀中

15、葉以后，牛頓通過實驗研究了這個問題，完全顛覆了人們對光的顏色的認識。2.實驗方法牛頓的實驗是這樣做的：把一間屋的所有窗戶、門等透光的地方用厚實的布遮擋起來，屋子里什么也看不見，這就制造了一個暗室。在暗室向太陽的一扇窗上開一個小孔，讓一束窄的太陽光通過這個小孔進入室內，在光束經過的路徑上放一塊三角形的玻璃棱鏡，如圖1所示。小洞對面的墻上就會觀察到一個由各種顏色的圓斑組成的像，顏色的排列是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，偏離最大的一端是紫光，偏離最小的一端是紅光。牛頓把這個顏色光斑叫做光譜。牛頓為了解釋三棱鏡實驗中白光的分解現象，認為白光是由各種不同顏色光組成的，玻璃對各種色光的折射本領不同，當白光通

16、過棱鏡時，各色光以不同角度折射，結果就被分開成顏色光譜白光通過棱鏡時，向棱鏡的底邊偏折，紫光偏折最大，紅光偏折最小。棱鏡使白光分開成各種色光的現象叫做光的色散。嚴格地說，光譜中有很多各種顏色的細線，它們都及平滑地融在相鄰的細線里，以至使人覺察不到它的界限。但是光憑這個實驗還不足以令人信服地證明白光(太陽光)具有復雜的成份，并可以分解為單一顏色光。因為牛頓之前的人們對這個實驗一直有另一種解釋，即認為白光通過棱鏡后之所以變成依次排列的各種光，并不是白光本身具有復雜成份的緣故，而是白光與棱鏡相互作用的結果。為此，牛頓又設計了另一個實驗，牛頓把這個實驗稱為“判決性實驗”，即在玻璃三棱鏡后面放一張白紙A

17、B作為光屏(如圖2)，在這張白紙上再開一個小孔，讓透過這個小孔的光線再經過第二個玻璃三棱鏡，并在它后面放一個新的白紙CD。他設想：若白光通過棱鏡變成各種顏色的光是由于白光與棱鏡相互作用的結果，那么，第二個棱鏡還會與這些光再發(fā)生作用而改變這些光的顏色。但實驗表明，第二個棱鏡只是把這束光整個地偏轉一定的角度，并不改變光的顏色。牛頓轉動第一個棱鏡，使光譜中不同顏色的光先后依次通過白紙AB上的小孔，在所有這些情形下，這些不同顏色的光并不能被第二個棱鏡再次分解，都只是偏轉了一定的角度，并且對于不同顏色的光的偏轉角度也不同。如讓第一個屏上的黃光透過小孔射到第二個棱鏡上，則屏CD上可看到有兩條明亮的黃線組成

18、，但不論把這兩條黃線分開到何等程度，都不能改變它們的顏色。通過這些實驗，牛頓得出結論：白光能分解成不同顏色的光，這些光已是單色的了，棱鏡不能再分解它們。為了進一步證明白光是由各種顏色的單色光組合而成的，牛頓還做了一個實驗，他用棱鏡將白光束分解為光譜后，再通過另一個頂角較大的倒置棱鏡(如圖3)；他設想，由于第二個棱鏡頂角較大，使不同色光的偏折大于第一個棱鏡，所以不同色光又會會聚起來，在第二個棱鏡后面的某一區(qū)域交匯，如在這區(qū)域內置一屏幕，則屏幕上將會重現出白光。實驗現象與預想的完全一致，從而證實了白光的確具有復雜的成份，并能分解成不同顏色的單色光。而棱鏡不能再分解它們，且每一種顏色的光都有自己確定

19、的折射率。牛頓指出，還可以用另一種方法把色光重新復合為白光。把光譜畫在圓盤上成扇形，然后高速旋轉這個圓盤，圓盤就呈現白色。這種實驗效果一般稱為“視覺暫留效應”。眼睛視網膜上所成的像消失后，大腦還可以把印象保留零點幾秒種。從而，大腦可將迅速變化的色像復合在一起，就形成一個靜止的白色像。在電視屏幕上或電影屏幕上，我們能夠看到連續(xù)的圖像，其原因也正在于利用了人的“視覺暫留效應”。通過上述實驗，牛頓為光的色散理論奠定了基礎，并使人們對顏色的解釋擺脫了主觀視覺印象，從而走上了與客觀量度相聯系的科學軌道。同時，這一實驗開創(chuàng)了光譜學研究的先端，不久，光譜分析就成為光學和物質結構研究的主要手段。 3.個人感想

20、牛頓的實驗很有意思，能發(fā)現許多好玩的事物，讓我懂得了太陽光是一種復色光，可以通過三棱鏡將其分解為七種顏色的色光，即該現象稱為光的色散；該現象進一步證實了太陽光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫這七種顏色的色光組成的陽光，還有紅外線具有熱效應，它位于紅色光的外面。讓我感受到了物理，科學的魅力。增長了理論知識，提高了操作技能，將課本上學到的抽象的理論知識同實驗操作相結合，讓我能更快的學習好物理四.盧瑟福發(fā)現核子實驗 1.實驗過程1909至1911年，英國物理學家盧瑟福（18711937）和他的合作者們做了以粒子轟擊金箔的實驗，實驗做法如下：在一個小鉛盒里放有少量的放射性元素釙，它發(fā)出的粒子從

21、鉛盒的小孔射出，形成很細的一束射線射到金箔上。粒子穿過金箔后，打到熒光屏上產生一個個的閃光，這些閃光可以用顯微鏡觀察到。整個裝置放在一個抽成真空的容器里，熒光屏和顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上轉動。根據湯姆遜模型計算的結果，粒子穿過金箔后偏離原來方向的角度是很小的。因為電子的質量很小，不到粒子的七千分之一，粒于碰到它，就像飛行著的子彈碰到一粒塵埃一樣，運動方向不會發(fā)生明顯的改變；而正電荷又是均勻分布的，粒子穿過原子時，它受到的原子內部兩側正電荷的斥力相當大一部分互相抵消，使粒于偏轉的力不會很大。  然而實驗卻得到了出乎意料的結果。絕大多數粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，少數以粒子卻

22、發(fā)生了較大的偏轉，并且有極少數粒子偏轉角超過了90度，有的甚至被彈回，偏轉角幾乎達到180度。這種現象叫做粒子的散射。實驗中產生的粒子大角度散射現象，使盧瑟福感到驚奇，因為這需要有很強的相互作用力，除非原子的大部分質量和電荷集中到一個很小的核上，否則大角度的散射是不可能的。  為了解釋這個實驗結果，盧瑟福在1911年提出了如下的原子核式結構學說：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉。原子核所帶的單位正電荷數等于核外的電子數，所以整個原子是中性的。電子繞核旋轉所需的向心力就是核對它的庫侖引力。盧瑟福向

23、人們描繪的原子世界，有些像太陽系里行星圍繞太陽旋轉一樣，電子圍繞著原子核不停的旋轉。2.基 本 粒 子物理學家們現在認為，自然界存在3類基本粒子-輕子、夸克和基本矢量玻色子。同時，每一種粒子，無論是基本的或不是基本的，都有其相應的反粒子。  對基本粒子的理論與實驗研究形成了高能物理學，這一學科是在1950年左右從原子核物理學的研究中分出來的，當時發(fā)展中的加速器技術使得尋找比質子和中子更“基本”的粒子相對容易了。之后，陸續(xù)發(fā)現了大量的亞核粒子，它們有的是基本粒子，有的則不是。3.自己的感受我看了這些實驗，我發(fā)現了物理的重要性，也知道了物理和我們的生活是息息相關的，也許只要一個小小的發(fā)現

24、就有可能使我們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。所以從現在起，我也要勇敢堅定的實現我的理想目標，為我們的祖國貢獻一份力，就先讓我從好好學習做起吧五.測量地球圓周1.人物埃拉托色尼（Eratosthenes，公元前275一前193）生于希臘在非洲北部的殖民地昔勒尼（Cyrene，在今利比亞）。他在昔勒尼和雅典接受了良好的教育，成為一位博學的哲學家、詩人、天文學家和地理學家。他的興趣是多方面的，不過他的成就則主要表現在地理學和天文學方面。2.測量地球圓周測量背景在埃拉托色尼之前，也曾有不少人試圖進行測量估算，如攸多克索等。但是，他們大多缺乏理論基礎，計算結果很不精確。埃拉托色尼天才地將天文學與測地學結合起

25、來，第一個提出設想在夏至日那天，分別在兩地同時觀察太陽的位置，并根據地物陰影的長度之差異，加以研究分析，從而總結出計算地球圓周的科學方法。這種方法比自攸多克索以來習慣采用的單純依靠天文學觀測來推算的方法要完善和精確得多，因為單純天文學方法受儀器精度和天文折射率的影響，往往會產生較大的誤差。3.測量地球圓周測量方法古希臘地理學家埃拉托色尼（Eratosthenes，公元前275一前193）將天文學與測地學結合起來，他選擇同一子午線上的兩地西恩納（Scene，今天的阿斯旺）和亞歷山大里亞，在夏至日那天進行太陽位置觀察的比較。在西恩納附近，尼羅河的一個河心島洲上，有一口深井，夏至日那天太陽光可直射井底。這一現象聞