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十个伟大的物理实验,你知道多少个?
2024/4/28 10:33:17 | 浏览:321 | 评论:0

我们知道,物理学是一门实验科学,新的物理现象通常在实验中发现,另一方面,只有能够给出实验验证方法的物理理论才是可信的。


小编打探到今年的公众科学日将在5月18日举办,相关内容也在紧锣密鼓筹备中!在活动中大家将有机会观看惊心动魄的实验秀,还可以参与各种有趣的互动实验,肯定是一场精彩绝伦的科学盛宴!(一整个期待住了


在公众科学日到来之前,让我们先了解物理学发展历程中较为重要的十个实验吧。


01

伽利略的加速度测定实验


十个伟大的物理实验,你知道多少个?


尽管大家可能更熟悉伽利略站在比萨斜塔上扔球,但此事的真实性还存在争议。


但是伽利略对于自由落体运动的研究则毫无疑问在物理学界留下了浓墨重彩的一笔。


他利用斜面上物体下落得更慢的特点,通过研究斜面上物体下落的规律来外推物体竖直下落的运动规律。最重要的是,他首先意识到时间可以作为一个参数引入公式中。一旦他将时间引入公式,立刻就发现,从静止开始自由下落的物体在任意时间内走过的距离,正比于时间的平方,也就是著名的匀加速直线运动位移-时间关系。



02

牛顿棱镜分光实验

十个伟大的物理实验,你知道多少个?
图源Wikipedia


1666年,牛顿曾经将一束阳光照射在棱镜上,然后他发现,从棱镜中出来的光分成了各种不同的颜色。


当时,大多数科学家都认为白光是一种单一颜色的光。这一发现则纠正了当时科学家的这个固有观念,让后世的人们认识到,白光其实是由各种不同颜色的光混合形成的。


如今我们已经知道,同种介质中不同颜色的光的折射率不同,在棱镜表面发生折射时发生不同程度的偏转,因此沿着不同的方向离开棱镜,这就是光的色散。


03

卡文迪许扭秤实验


十个伟大的物理实验,你知道多少个?
图源Wikipedia


卡文迪许扭秤实验是由英国物理学家亨利·卡文迪许于1797年至1798年进行的一项经典实验。这个实验旨在测量万有引力常数。


卡文迪许的实验装置是一个扭秤,该扭秤由一根长杆水平悬挂在一根丝上,两端各挂一个铅球(甲球)。另外两个铅球(乙球)单独悬挂,放置在扭秤两端铅球附近。甲球和乙球之间相互吸引,使扭秤旋转。平衡时,扭秤的力矩和铅球之间的万有引力平衡,根据扭秤的偏转角度卡文迪许可以得到铅球之间的万有引力,进一步可以得到引力常数。


04

法拉第电磁感应实验


十个伟大的物理实验,你知道多少个?
图源Wikipedia


法拉第电磁感应实验验证了变化的磁场可以产生电场,提供了将机械能转化为电能的可能性,并且为后来的电磁场理论奠定了基础。


他用如图所示的实验装置发现,当电流在一根导线中开始流动时,铁芯另一侧的线圈中会产生电流。他观察到,当他将左侧电线连接到电池或断开电池连接时,电流计的指针测量到了右侧导线上的瞬态电流。 这种感应电流是由于连接和断开电池时发生的磁感应强度变化引起磁通量变化。此外,他还观察到当他快速地将条形磁铁插入线圈或离开线圈时,电流计显示瞬态电流的产生。



05

杨氏双缝干涉实验

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在17到18世纪之间,许多科学家基于实验观察提出了光的波动理论,包括罗伯特·胡克、惠更斯和欧拉。然而,牛顿坚定地拒绝光的波动理论,并发展了他的光粒子理论,认为光以微小粒子的形式从发光体中发射出来。


而托马斯·杨的实验为波动学说提供了强有力的证据。托马斯·杨使太阳光通过一个小孔,并用狭缝将细光束分成两半。而在后面的观察屏上他看到了两束光重合形成彩色的条纹。


十个伟大的物理实验,你知道多少个?


光的波动理论认为,当两列光波相遇时,来自两列波的振动在空间的每个点处叠加在一起。如果波峰重合(相位相差π的偶数倍),它们就会相互增强,从而产生相长干涉和更高的光强。相反,如果一个波的波峰与另一波的波谷对齐(相位相差π的奇数倍),它们就会相互抵消,导致相消干涉和较低的光强。



06

密立根油滴实验

十个伟大的物理实验,你知道多少个?
图源Wikipedia


密立根通过如图的实验装置成功测定了元电荷,也就是电子所带的电荷量。他向真空室中喷射微小的油滴,并观察它们在电场中的行为。


在实验中,油滴被喷入一个封闭容器,通过与喷管摩擦油滴带上电荷。之后油滴落入两块平行金属板间,金属板上施加电压,形成一个均匀的电场。板间的油滴受到电场力的作用,向上或向下运动。


通过调整电场的强度,可以达到电场力和重力相互平衡的状态,这样的油滴悬停在平行板之间。通过分析平衡状态下油滴的重力和电场强度之间的关系,可以得到元电荷的大小。



07

焦耳热功当量实验

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图源Wikipedia


物理学家焦耳曾设计了如图所示的实验来测量热功当量。他在装水的瓶子里安装桨叶,一重物下降带动桨叶旋转,搅动瓶中的水,水受到搅动温度升高,测量水的温度升高量,可以计算出水升温所需的热,比较重物下落的功和水升温所需的热之间的关系,就得到了热功当量。焦耳的实验定量地确认了热和功的等价关系,为“热动说”提供了强有力的支持。


后世更精确的实验给出1卡路里的热相当于4.18焦耳的功,大家可能注意到了,这个数值为什么和水的比热容那么像?没错,实际上,热功当量这个物理量就是水的比热容。



08

弗兰克-赫兹实验


十个伟大的物理实验,你知道多少个?
图源[2]


弗兰克-赫兹实验旨在验证玻尔原子模型中的能级理论。


在弗兰克-赫兹实验中,气态汞被放置在真空管中,管内包含两个电极。一个电极被加热以产生热电子,并被电场加速。这些电子通过一个正电压区域,然后进入另一个电极。在这个过程中,电子与汞原子碰撞,将能量传递给汞原子。


通过测量在不同电压(对应电子初始动能)下电子产生的电流(对应电子与汞原子碰撞后的动能)的分布,弗兰克和赫兹观察到:在某些电压下,电流突然减小,这表明电子在与汞原子碰撞后失去的能量是分立的。这些出现电流突变时的电压值正好与玻尔模型中预测的汞原子能级之间的能量差相匹配。


这个实验的结果证实了玻尔原子模型中的能级理论,为量子力学的建立和发展奠定了基础。




09

吴健雄宇称不守恒实验


十个伟大的物理实验,你知道多少个?


吴健雄的实验证明了弱相互作用的宇称不守恒。简单来说,宇称就是描述物理系统在进行空间镜像翻转时是否保持不变的性质。如果物理系统在镜像翻转后保持不变,那么我们称宇称守恒。


吴健雄的实验考察的是自旋朝同一个方向排列的60Co原子(核),60Co会发生衰变,放出电子。如果对这个系统进行镜像操作,那么放出的电子的运动方向会相对于镜面发生翻转,而核自旋方向会保持不变。


如果宇称是守恒的,那么镜像操作前后系统应保持不变,那么相对于60Co核自旋的方向朝前发出的电子数应该等于朝后发出的电子数。


但是,朝前发出的电子数不等于朝后发出的电子数。所以宇称不守恒。这个结果震动了物理学界,也揭示了深刻的自然规律。



10

引力波和γ射线暴联合观测


十个伟大的物理实验,你知道多少个?
图源Pixabay


广义相对论预言了引力波的存在,2015年LIGO直接观测到了双黑洞并合产生的引力波。此外理论预言双中子星并合也可以发出相对容易探测的引力波。


另一方面,上世纪60年代中期人们发现了宇宙中的γ射线暴,但是其产生机制尚不明确。有理论指出双中子星并合可以产生γ射线暴。


于是引力波及其电磁对应体γ射线暴的联合观测引起广泛的兴趣。


2017 年 8 月 17 日,LIGO 和Virgo 探测器观测到了双中子星并合产生的引力波(后来指定为 GW170817)。费米卫星独立探测到γ射线暴(GRB 170817A),相对于合并时间有大约 1.7 秒的时间延迟。


这是第一次观测到来自同一物理过程的引力波和γ射线暴,开启了多信使天文学的时代,人们观测宇宙的手段不只有电磁波,还包括了引力波。此外这次观测也为探究中子星的内部结构提供了新的线索。


为了确认引力波和γ射线暴来自同一来源,这次观测几乎动用了全球的观测设备。上面的几个实验是物理学大师智慧的展现,而这次观测是全球科研人员合作的成果。

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