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物理“大咖”们的经典实验

意林 日期:2019-1-28

爱科技的“童鞋”们一定都对物理知识感兴趣,其中最有趣的莫过于自己动手做物理实验了。历史上也有很多物理学科方面的经典实验,实验者们用最简单的仪器和设备发现了最根本、最精简的科学概念,解除了人们长久的困惑和不解,开辟了人类对自然界的崭新认识。

了解一些物理“大咖”的经典实验,说不定会开启你大脑中的“奇思妙想”呢!

1851年法国科学家米歇尔·傅科当众做了一个实验:用一根长67m的钢丝吊着一个重28kg、带有铁笔的铁球并将其悬挂在屋顶下,观测记录它的摆动轨迹。当周围的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,无不感到惊讶。

傅科的演示说明地球围绕地轴旋转。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,在南极的转动周期是24小时。

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好比“葡萄干布丁”在大量正电荷聚集的糊状物质中间包含着电子微粒。

然而,卢瑟福和他的助手惊讶地发现,向金箔发射带正电的阿尔法微粒时有少量被弹回,他们因此计算出原子并不是一团糊状物质,而是大部分物质集中在一个中心小核上,电子在它周围环绕。

亚里士多德曾预言,滚动球的速度是均匀不变的,即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,因为存在重力加速度。

他先做了一个长约6m、宽约3m的光滑直木板槽,再把木板槽倾斜固定,让铜球从木槽顶端沿斜面滑下,最后测量铜球每次下滑的时间和距离,研究它们之间的关系。

公元前3世纪,在埃及一个名叫阿斯瓦的小镇上,夏至正午的阳光正投射在头顶,物体没有影子,太阳光直接照入井中。埃拉托色尼意识到这可以帮助他测量地球的圆周。

在几年后同一天的同一时间,他记录了同一地点物体的影子。结果他发现太阳光线稍有偏离,与垂直方向大约成7°角。假设地球是球状,那么它的圆周应是360°。如果两座城市成7°角,就是7/360的圆周,相当于当时5000个希腊运动场的距离,因此地球圆周应该是25万个希腊运动场。现在我们知道,埃拉托色尼的测量误差仅仅在5%以内。

牛顿在物理学上的重要贡献之一是万有引力理论:两个物体之间的吸引力与它们质量的平方成正比,与它们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大?

18世纪末,英国科学家亨利·卡文迪许决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的1。82m长的木棒用金属线悬吊起来,再将两个重158。75kg的皮球放在足够近的地方,以吸引金属球转动,从而使金属线扭动,然后用自制的仪器测量出微小的转动幅度。

卡文迪许测出了万有引力的参数恒量,且结果惊人地准确。在此基础上,还可计算地球的密度和质量。

牛顿也不是永远都对,他曾认为光是由微粒组成的,而不是一种波。1830年,英国医生兼物理学家托马斯·杨向这个观点发起了挑战。

他在百叶窗上开了个小洞,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。接着用一块厚约0。84mm的纸片把这束光从中间分成两束,结果发现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。

物理学家们一直对电充满了好奇。1897年,英国物理学家托马斯已经知道如何获取负电荷电流。1909年,美国科学家罗伯特·米利肯开始测量电流的电荷。

他用一个香水瓶的喷头向一个透明小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别放有一个通正电和通负电的电板。当小油滴通过空气时,就带有了一些静电,它们下落的速度可以通过改变电板的电压来控制。

经过反复实验,米利肯得出结论: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。

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曾这么说过。伽利略当时在比萨大学数学系任职,他大胆地向传统观点挑战,从斜塔上同时扔下一轻一重两个物体,让大家看到两个物体同时落地的现象,向世人展示了尊重科学而不畏权威的可贵精神。