智慧的力量是一路火花帶閃電,聊聊物理學史上最美的10個實驗

第一名:電子雙縫干涉實驗

法國物理學家德布羅意1924年在其博士論文中首次提出了物質波的概念。1927年湯姆孫、戴維森等科學家獨立發現了電子的衍射現象,1929年德布羅意就把諾貝爾獎捧回了家。

這還沒完。1961年,一個叫克勞斯-約恩松的科學家突發奇想,用電子束做了雙縫干涉實驗。實驗現象挺完美,得到了電子雙縫干涉圖樣。詭異的實驗現象發生在1974年,一個叫梅里的教授想用攝像頭看看通過雙縫的電子到底是怎麼走的,開著攝像頭就沒有干涉圖像,關了攝像頭就能看到干涉圖樣。為什麼我也不知道,不過我們也不用懷疑人生,實驗現象的解釋只是還沒有找好相應的物理理論。

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電子:我有波粒二象性,我能衍射,當然可以干涉。

第二名:伽利略的自由落體運動實驗

重的輕的物體,哪個下落的快?亞里士多德說重的落得快,伽利略說輕重下落一樣快。伽利略在比薩斜塔上自由釋放了一重一輕兩個金屬球進行了實驗驗證,實驗結果駁倒了亞里士多德的認識。可以看看前面我寫的那篇伽利略小球的文章,不再贅述了。

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第三名:密立根油滴實驗——測定元電荷的電量

元電荷即為自然界裡電量最小的帶電體所帶電量。現在我們知道它的大小就是一個電子的帶電量。密立根帶著他的學生利用油滴噴霧起電,選擇重力,空氣阻力,電場力平衡的油滴進行反覆測量,得到了元電荷的電量。這個實驗說明了帶電體的電量是量子化的,也支持了愛因斯坦對光電效應原理的解釋。1923年密立根獲得了諾貝爾獎。

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油滴是很小的,落得很慢的

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現代化的密立根油滴實驗裝置

第四名:牛頓的三稜鏡——色散實驗

“1666年初,我做了一個三角形的玻璃稜柱鏡,利用它來研究光的顏色。為此,我把房間裡弄成漆墨的,在窗戶上做一個小孔,讓適量的日光射進來。我又把稜鏡放在光的入口處,使折射的光能夠射到對面的牆上去,當我第一次看到由此而產生的鮮明強烈的光色時,使我感到極大的愉快。”——牛頓

牛頓把把這些單色光排列而成的圖樣稱之為光譜。這個實驗說明了白光是複色光。

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第五名:楊氏雙縫干涉實驗

這是電子雙縫干涉的祖宗實驗。托馬斯-楊應該是醫生裡面物理最好的,這個實驗觀察到光的波動性特徵——干涉,證明了光具有波動性。這讓支持牛頓光微粒學說的人感到很沮喪,直到愛因斯坦的光電效應和康普頓效應的出現。現在我們知道,光具有波粒二象性。

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第六名:卡文迪許扭秤實驗——卡文迪許是第一個測出地球質量的人

牛頓提出的萬有引力定律是個比例關係,有了比例係數才能把比例關係寫成等式。這個工作就是卡文迪許完成的。他測出了萬有引力常量G,讓萬有引力定律從半定量走向了定量。有了引力常量G,人類應用萬有引力定律解決問題才有了質的飛躍。卡文迪許設計了一個扭秤,史稱卡文迪許扭秤。

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靦腆的卡文迪許

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懸絲扭曲形變,形變量通過光放大記錄大小。測引力常量

我們不由得想起庫侖定律和庫侖扭秤。有人說庫侖定律不是庫侖發現的,是他總結的。這種說法也是有依據的,因為在1777年卡文迪許就已經公開提出了靜電力和電荷距離平方成反比的想法。1785年,庫侖提出了著名的庫侖定律。

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庫侖扭秤,測靜電力常量。

卡文迪許可能是物理學家裡化學最好的。他還研究了大氣的組成,研究了氫氣、水的構成、二氧化碳、惰性氣體等。

卡文迪許很有錢但很孤僻。這也導致了他的很多發現都沒在有生之年公佈於世。

第七名:精通數學和地理的埃拉托色尼測量地球圓周長

太陽光看成是平行光,地球看成球。埃及的塞恩那在北迴歸線上,北迴歸線以北的亞歷山大里亞與塞恩那在同一條經線上,相距800公里。利用光的直線傳播,解了個圓的問題,埃拉托色尼把地球的周長給測算出來了,而且精度很高。

測量原理如下:

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A為陽光直射點,B點測出到天頂連線與陽光的夾角。

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弧長與圓心角的比值為半徑,建構了上述等式。

埃拉托色尼他們測得夏至正午太陽方向與天頂方向夾角角度為7.2度,代入上式得到了地球周長為4萬公里。毛主席詩詞中有“坐地日行八萬裡,巡天遙看一千河”的詩句,而2000多年前埃拉托色尼就利用幾何知識把地球的周長比較精確的測出來了。

第八名:伽利略的加速度實驗

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伽利略弄了個斜面,讓小球靜止開始在斜面上運動。他用粗糙了滴水計時器得出了位移與時間的平方成正比的結論。

斜面沖淡了重力的影響,讓小球運動時間“延長”以便計時。實驗結論合理推理即可得出自由落體運動的運動性質是勻變速直線。

第九名:α粒子散射實驗

這是個最典型的“有心栽花花不開,無心插柳柳成蔭”的物理實驗。當年湯姆生提出了原子結構模型,也就是著名的棗糕模型,或者叫葡萄乾布丁模型。湯姆生讓他的學生盧瑟福去設計實驗驗證他的想法,盧瑟福就設計了著名的α粒子散射實驗。實驗原理圖如下:

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金延展性好,容易打成很薄的金箔,讓α粒子能夠穿過。

湯姆生的原子棗糕模型是個均勻的結構,不可能出現α粒子運動大角度偏折。但實驗中卻發現了α粒子大角度偏折,甚至被反彈的現象。盧瑟福根據這個實驗的現象推翻了他老師的糟糕模型,建立了原子核式結構模型。

第十名:傅科擺實驗——簡單直接地告訴你:地球在自轉

16世紀,哥白尼提出了地球圍繞太陽公轉的同時也在自轉,但如何通過實驗驗證地球的自轉的問題一直懸而未解。時間到了19世紀的某日,物理學家傅科看著鐘擺發呆,突發奇想利用鐘擺可能能驗證地球的自轉現象,實驗一下就獲得了成功。可見,成功垂青有準備的人,更是垂青努力的人。

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傅科擺實驗

智慧的力量是一路火花帶閃電,聊聊物理學史上最美的10個實驗

現代的傅科擺

簡單的器材,精妙的設計,超人的智慧,科學的結論。這十個實驗展示的人類在認識自然規律過程中思想的力量和智慧的力量,值得我們深入學習與思考。


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