最美的十大物理实验.ppt

托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉实验 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，电子流被分为两股，被分得更小的电子流产生波的效应，它们相互影响，以至产生像托马斯杨的双缝演示中出现的加强光和阴影，这说明微粒也有波动性。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，麦克斯韦、普克朗和阿尔伯特爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西能发出光和吸收光，但是其他实验还是证明光是一种波。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。电子双棱镜示意图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使他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学作出了最终的裁决。伽利略（15641642）罗伯特密立根的油滴实验 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，也可以通过摩擦毛发得到。1897年，英国物理学家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。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，让一边成为正极板，另一边成为负极板。当小油滴通过空气时，就会产生一些静电，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，经过反复试验，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所带的电量。密立根（18681953）牛顿的棱镜分解太阳光实验 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，光在墙上被分解成不同的颜色，后来我们称之为光谱。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。牛顿在做太阳光经三棱镜折射实验托马斯杨的光干涉实验 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130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，这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这个实验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。托马斯杨（17731829）卡文迪许扭秤实验 牛顿的另一伟大贡献是他的万有引力定律，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要找出这个引力。他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，并扭转金属线，然后用自制的仪器测量出微小的转动。测量结果惊人的准确，他测出了万有引力恒量的参数，在此基础上卡文迪许计算地球的密度和质量，卡文迪许的计算结果是：地球重6.01024千克，或者说13万亿万亿磅。卡文迪许(17311810)卡文迪许扭秤实验埃拉托色尼测量地球周长实验 古埃及的一个现名为阿斯旺的小镇，在这个小镇上，夏日正午的阳光悬在头顶：物体没有影子，阳光直接射入深水井中。埃拉托色尼是公元前3世纪亚历山大图书馆馆长，他意识到这一信息可以帮助他估计地球的周长，在以后几年里的同一天、同一时间，他在亚历山大测量了同一地点的物体影子，发现太阳光线有轻微的倾斜，在垂直向偏离大约7度角。剩下的就是几何学问题了，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度角，就是7360的圆周，就是当时5000个希腊运动场的距离，因此地球周长应该是25万个希腊运动场。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。埃拉托色尼（275193BC）埃拉托色计算地球周长的原理示意图伽利略的加速度实验 伽利略继续提炼他有关物体移动的观点，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。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和时间的平方成比例：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。伽利略的斜面加速实验示意图卢瑟福发现核子实验 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“葡萄干布丁”：大量正电荷聚集的糊状物质，中间包含着电子微粒；但是他和他的助手发现：向金箔发射带正电的阿尔法微粒时有少量被弹回，这使他们非常吃惊。卢瑟福计算出原子并不是一团糊状物质，大部分质量集中在一个中心小核上，现在称作原子核，电子在它周围环绕。卢瑟福(18711937)粒子散色实验装置示意图米歇尔傅科钟摆实验 去年，科学家们在南极安置一个摆钟，并观察它的摆动，他们是在重复1851年巴黎的一个著名实验。1851年法国科学家傅科在公众面前做了一个实验，用一根长220英尺的钢丝将一个62磅重的头上带有铁笔的铁球悬挂在屋顶下，观测记录它前后摆动的轨迹。周围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自转的。在巴黎的纬度上，钟摆的轨迹是顺时针方向，30小时一周期；在南半球，钟摆的轨迹应是逆时针转动；而在赤道上，钟摆的轨迹将不会转动。在南极，转动周期是24小时。米歇尔傅科（18191868）