从20个值得介绍的物理经典实验说起

清华大学物理系教授郭奕玲沈慧君[e-mail]物理学史与物理教育钱三强教授的《物理学史》序为我们提供了指导思想物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去发掘。如果我们都能重视这块宝地，把宝贵的精神财富发掘出来，从中吸取营养，获得教益，我相信对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的。钱三强教授在《物理学史》序中讲到：科学上没有平坦的大道。我们要通过物理学史的介绍，向学生讲清楚，科学经历的是一条非常曲折、非常艰难的道路。然而，我们的教师在对学生进行教育的时候往往是应用经过几次消化了的材料来讲授，或者经过抽象的理论体系，这当然是必要的，但是这样的教学方法，往往会使学生对概念的产生和发展引起误解，以为什么结论都可用数学推导出来，失去了对观察和实验的兴趣。这样的结果使学生们不了解科学是怎样来的，时间长了，等到他自己从事教学时就很容易把科学当作一门死科学来教。今天我们科学界有一个弱点，这就是思想不很活泼，这也许跟大家过去受的教育有一定关系。钱三强教授在演讲《物理学史》第二版钱三强教授：《物理学史》序的第二点看法通过物理学史可以阐明理论与实践的关系。物理学是实验科学，实验工作是基础。强调实验的意义，并不是否定理论的重要性，只有在实验的基础上建立了正确的、经得起实践检验的理论，才能由表及里达到对客观事物的规律性认识。如果能在系统地介绍理论发展线索的同时，更多地介绍实验工作的经过和所起的作用，以及理论与实验的相互依赖关系，就更有教育意义。物理学是以实验为本的科学在物理学的发展中，实验起了重要作用。什么叫实验？实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器，人为地控制、创造或纯化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰的情况下进行观测，（定性的或定量的），以探求该自然过程变化规律的一种科学活动。实验在物理学发展中的地位和作用发现新事实，探索新规律检验理论，判定理论的适用范围测定常数推广应用，开拓新领域我国著名物理学家张文裕指出：科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。基础研究、应用研究、开发研究和生产四个方面要紧密结合在一起，必需有一条红线，这条红线就是科学实验。高能物理所原所长张文裕教授1984年的照片吴大猷教授对实验和理论的关系作过深刻的分析和总结，他写道：实验发现和研究与理论探索是互补的，它们共同或交替促成了物理学的进步。有的时候，是某些实验发现导致了理论工作的巨大发展，而有的时候，则是某项理论工作导致了重要的实验结果。李政道教授1987年曾经精辟地提出物理学家的两个定律：第一定律：没有实验家，理论家趋于浮泛。第二定律：没有理论家，实验家趋于摇摆。两个车轮，相辅相成实验理论理论实验诺贝尔物理学奖获得者理论实验30%70%理论实验物理学工作者理论实验10%90%物理教学应该重视实验让学生都有机会做实验为什么？经历科学过程，体会科学方法，树立科学的价值观更加热爱科学，体验科学工作的乐趣学习科学知识，提高操作技能（人教版新课本）补充三点认识物理学的精髓体验科学精神树立科学态度为什么要引进经典实验？了解前人的科学过程，可以生动地说明科学是怎样来的。了解科学家的工作，他们是怎样想的、怎样提出问题、发现问题和解决问题，由此可以学习前人的探索精神。经典实验都是一些开创性的工作，都经过历史检验，学习它可以领会科学方法的精髓。经典实验有一定的时代局限性方法原始，仪器简陋设计奥涩，想法古怪曲折复杂，难以理解麦克斯韦的电量单位比实验例如，麦克斯韦的电量单位比实验装置何其复杂！引用历史题材的双刃剑著名的经典实验何止成百上千，我们总不能像19世纪以前的物理教科书那样“从猿到人”百科全书式的讲授；因此，精选和提炼是必要的。前人面临的情况和我们不一样，他们的探索活动往往经历过后人难以想象的艰难困苦，有时还有些盲目，在后人看来甚至有些可笑和愚蠢。没有必要让同学们都去实际体验“万里长征”的艰辛；但是正是这些过程体现了追求真理的伟大力量，正是这些科学精神有待我们学习、继承和发扬。他们的某些“古怪”想法，也许正是我们缺少的；他们使用的“简陋仪器”和“原始设备”很可能给我们很多难得的启示，给我们学习的好机会，有的还特别适合初学者。运用历史题材当然要占用有限的学习时间，但是那是值得的。只要经过适当处理加工，取其精华，去其糟粕，就会成为宝贵的精神财富。运用历史题材，值得提倡要忠实于历史事实，不可捏造杜撰要恰如其分，不可过分夸大不要喧宾夺主，不能代替主课学习不要死记硬背，不应当成知识点不要照本宣科，避免千篇一律老师首先要有深入认识要努力发掘资料，开展科学研究如何运用，希望一起探讨我们愿意抛砖引玉，给大家尽可能地提供一些有用的可靠资料。伽利略的斜面实验伽利略正在演示斜面实验伽利略的斜面实验数据（详见光盘）伽利略的平抛实验伽利略斜面实验示意图伽利略的平抛实验数据高中课本中的平抛实验装置（详见光盘）库仑的滑动摩擦实验伽库仑研究滑动摩擦的实验装置库仑对摩擦起因的说明库仑的滑动摩擦实验我们可以仿照库仑的思路，分析滑动摩擦与哪些因素有关？有什么关系？还可以追问为什么有关？也可以进一步对凹凸说和粘合说作出判断，看看那一种说法更高明，从而把探究活动延伸到分子力的作用。如果同学们对这一课题发生了兴趣，还可以引导他们了解摩擦学的进展。现代摩擦学是工程技术上不可或缺的一门专业，涉及到机械工程、材料科学、表面物理，从宏观到微观，从静态到动态，内容极其丰富。如果取其中一个小问题，例如润滑的作用，让学生们试着作为课外小作业，按照科学家的思路，进行力所能及的探究，应该会得到相当多的收获。雷尼研究摩擦与压力的实验装置德萨居利斯的实验装置伽利略的“单摆”实验物体从C点向左摆动，1．如无障碍，将止于同一高度的D点2．E处加一钉子，止于同一高度的G点3．F处加一钉子，止于同一高度的I点请问：伽利略通过这个实验想说明什么观点？如何证明C，I，G，D各点高度相同？伽利略的温度计伽利略的温度计伽利略用他的温度计测定了不同地方和同一地点在不同时间和不同季节的相对温度。但是，伽利略的空气温度计要受大气压强变化的支配，因此在两只温度计之间无法进行比较。读者们能否帮助伽利略改进他的温度计？牛顿的碰撞实验牛顿的《自然哲学数学原理》封面牛顿详细讨论了两球对心碰撞前后空气阻力的影响以及测量的改进办法A，B两球用平行线CA，DB悬挂在同一水平线下，如图所示。倘若拿开B，将A移至水平线上的E，放手后，A应荡至同一高度F；倘若拿开A，将B移至水平线的G，放手后B也应荡至同一高度的H。但实际上，由于空气阻力的影响，总要略微低些。A球如从R点放下，经过一个来回后只能回到V点，可见，RV是由于空气阻力造成的阻滞。在RV的中间取四分之一，并令RS＝TV，则RS∶ST＝3∶2。于是将近似地代表A球从S降到A所受的阻力。胡克的弹性实验在力学的应用中弹性定律占有重要地位，弹性定律是1678年首先由胡克提出的。斯梯芬的串球链荷兰人斯梯芬1586年的《静力学基础》，是从这个理想实验开始。将14个等重的小球均匀地用线穿起组成首尾相连的一串球链，放在斜面上，他认为球链的运动没有尽头是荒谬的，所以两侧应平衡。扉页插图上方写着：“神奇其实并不神奇”。运动没有尽头是荒谬的斯梯芬：1586年：《静力学基础》：“运动没有尽头是荒谬的”。（详见光盘）拉瓦锡和拉普拉斯的冰卡计拉瓦锡和拉普拉斯用冰卡计测量物质在化学反应过程中所放出的热量以及物体燃烧和动物呼吸时所散发的热量，证明烛焰放出的热量：放出的二氧化碳动物呼吸放出的热量：呼出的二氧化碳两个比值近似相等。这个结果对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。冰卡计把豚鼠放在冰卡计里做实验焦耳的电热当量实验1841年焦耳为了确定金属导线的热功率，让导线穿过一根玻璃管，再将它密缠在管上。然后将玻璃管放入盛水的容器中，通电后用温度计测量水产生的温度变化。实验时，他先用不同尺寸的导线，继而又改变电流的强度，结果判定“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方及导体电阻的乘积成正比。”这就是著名的焦耳定律，又称i2R定律。（详见光盘）奥斯特的磁效应实验奥斯特信奉康德哲学,认为自然界各种基本力是可以相互转化的。早在1812年,奥斯特就发表过一篇论文,论证化学力和电力的等价性,文中写道：“我们应该检验的是：究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有类似的作用”。在奥斯特的头脑里,经常盘据着这个疑问。他深信电和磁有某种联系,只是不知道应该怎样来实现它。当时,电流的研究早已揭示导体通过电流时会发热,甚至会发光。他推测,既然电流通过细导体会发热,通过更细的导体甚至会发光,进一步减小导体的直径,为什么不能指望激发出磁来呢?于是他拿一根细白金丝,让它接到电源上,在它前面放一根磁针,他和别人一样,企图用白金丝的尖端吸引磁针。然而,尽管白金丝灼热了,烧红了,发光了,磁针也纹丝不动。奥斯特没有灰心,边思考,边试验。他从发热和发光的现象推测,既然热和光都是向四周扩展的,会不会磁的作用也是向四周扩展?（详见光盘）阿拉哥的铜盘实验1824年阿拉果把磁针当作单摆，让它在铜盘上方摆动，发现磁针的摆动会很快衰减；如果让磁针停下不动，转动下面的铜盘，就会发现磁针也跟着转动。当时阿拉果无力对自己的实验作出解释，只是如实地向公众宣布了实验结果。奥认为铜盘在运动中产生了磁性。安培提出铜盘在运动中产生了电流。塞贝克则认为是“磁雾”的阻尼作用。（详见光盘）法拉第的电磁感应实验法拉第和奥斯特一样,笃信自然力的统一,很早就开始寻找“磁生电”的迹象。从1824年到1828年,法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析了电流的磁效应,认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对电流,还应有磁对电流的作用。他想,既然电荷可以感应周围的导体使之带电,磁铁可以感应铁质物体使之磁化,为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢?于是就开始了一系列的探索。（详见光盘）牛顿的分光实验自古以来，人类对雨后的彩虹有着强烈的兴趣。亚里士多德认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。阳光进入媒质（例如水），从表面区域折射回来的是红色或黄色，从深部折射回来的是绿色或蓝色。1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是浓缩了的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各种不同的颜色。究竟各种色彩的产生是由于光与物质的作用，还是光所具有的本性，牛顿用一系列实验作出了回答。（详见光盘）电影片段托马斯•杨的双缝干涉实验1807年托马斯·杨描述了他的双缝实验.他写道：“使一束单色光照射一块屏，屏上面开有两个小洞或狭缝，可认为这两个洞或缝就是光的发散中心，光通过它们向各个方向绕射。在这种情况下，当新形成的两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若干条暗带。……图形的中心则总是亮的。”（详见光盘）丁铎尔的全反射实验光的全反射可以导光，1870年英国物理学家J.丁铎尔就已经提出来了。他做过一个演示实验如左图。这正是纤维光学的基本原理。同学们可以从这个实验进一步探讨如何利用全反射传输光线，看看要有什么条件。赫兹的电磁波实验1887年赫兹用多种方法证实了电磁波的存在引自人教版《高中物理》（详见光盘）赫兹的光电效应实验石英片无效为了便于观察，赫兹偶然把接收器用暗箱罩上，结果发现接受电极间的火花变短了。赫兹工作非常认真，用各种材料放在两套电极之间，证明这种作用既非电磁的屏蔽作用，也不是可见光的照射，而是紫外线的作用。当紫外线照在负电极上时，效果最为明显，说明负电极更易于放电。（详见光盘）J.J.汤姆生的阴极射线荷质比实验（详见三大发现）结论：经典实验是科学家智慧的结晶我们有目的地从不同领域里选择20个经典实验，介绍其设计思想、实验结果和历史沿革，不仅可以增强对实验的认识，而且可以使物理教