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        那些神一樣的物理實(shí)驗(yàn)

        2016-03-02 14:04:38關(guān)爾東
        求學(xué)·理科版 2016年2期
        關(guān)鍵詞:擺球單擺化學(xué)

        關(guān)爾東

        十大最美物理實(shí)驗(yàn)

        2002年,美國兩位學(xué)者在全美物理學(xué)家中做了一份調(diào)查,請(qǐng)他們提名有史以來最美的十大物理實(shí)驗(yàn)。最終的調(diào)查結(jié)果刊登在了當(dāng)年9月份的美國《物理世界》雜志上。這十大物理實(shí)驗(yàn)大部分都在我們課本中出現(xiàn)過,如伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)(排名第二)和斜面實(shí)驗(yàn)(排名第八)、牛頓用三棱鏡分解太陽光的實(shí)驗(yàn)(排名第四)、卡文迪許用扭矩測(cè)量萬有引力常數(shù)的實(shí)驗(yàn)(排名第六)、托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(排名第五)、羅伯特·密立根測(cè)量電子電荷量的油滴實(shí)驗(yàn)(排名第三)、盧瑟福的阿爾法粒子散射實(shí)驗(yàn)(排名第九)等。

        為什么是它們?

        十大最美物理實(shí)驗(yàn)中,年代最遠(yuǎn)的是公元前3世紀(jì)的埃拉托色尼利用太陽光測(cè)量地球圓周的實(shí)驗(yàn)(排名第七),年代最近的是1961年前后,根據(jù)托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理做的電子干涉實(shí)驗(yàn)(排名第一)。而2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者是因?yàn)樗麄冊(cè)谔祗w物理學(xué)領(lǐng)域做出的先驅(qū)性貢獻(xiàn),特別是在“探測(cè)宇宙中微子”和“發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源”方面的成就。對(duì)比之下,你一定很疑惑,為什么在物理學(xué)已經(jīng)迅猛發(fā)展的21世紀(jì),反而是這十個(gè)看似很初級(jí)的實(shí)驗(yàn)獲得了物理學(xué)家們的推崇?

        物理學(xué)家們給出了他們的理由:這些實(shí)驗(yàn)都緊緊抓住了物理學(xué)家眼中最美麗的“科學(xué)之魂”——用最簡單的儀器設(shè)備,發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念,解除人們長久的困惑,開辟了人們對(duì)自然界的嶄新認(rèn)識(shí)。比如,一個(gè)簡單的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就能證明光具有波動(dòng)性,而不僅僅是牛頓認(rèn)為的光是一種微粒。把光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理遷移到電子干涉中,同樣也證明了電子具有波動(dòng)性,完全顛覆了人們認(rèn)為電子僅僅是一種粒子的傳統(tǒng)觀念。

        看到這,請(qǐng)你翻開你的課本,像物理學(xué)家一樣欣賞那些曾被我們視為尋常的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)吧!相信我,物理不僅僅是那些題目,它既極致簡單又深邃寬厚。了解越深,你就會(huì)越為它而著迷。

        神廟里的神設(shè)計(jì)

        上述實(shí)驗(yàn)在課本中大多有較為詳細(xì)的介紹,而排名第十的傅科擺實(shí)驗(yàn)在人教版高中物理課本中,僅僅是以插圖的形式出現(xiàn)在選修3-4第14頁。如果就這樣與傅科擺實(shí)驗(yàn)擦肩而過,你真的是錯(cuò)過了科學(xué)史中極為酷炫的一幕!

        豪奢實(shí)驗(yàn)室:巴黎萬神殿

        巴黎萬神殿,也稱為巴黎先賢祠,為法國國王路易十五所建,1790年竣工,現(xiàn)為法國歷代名人的長眠之地。

        走進(jìn)萬神殿的地下室,首先看到的兩座墓分別屬于偉大的哲學(xué)家伏爾泰和盧梭。居里夫婦、雨果、布萊葉、左拉、大仲馬等人的墓也在地下室里。大多數(shù)墳?zāi)苟挤浅:啒?,只是狹小石室內(nèi)的一具石棺。雖然到處是棺木,但氣氛并不陰森,漫步其間,甚至能感受到先賢們偉大的靈魂。

        萬神殿的地上建筑平面呈希臘十字形,長100m,寬84m,高83m。設(shè)計(jì)非常大膽,柱細(xì)墻薄,加上上部巨大的采光窗和雕飾精美的柱頭,室內(nèi)空間顯得非常輕快優(yōu)雅。或許正因?yàn)槿绱?,這里被科學(xué)家傅科選為他的實(shí)驗(yàn)室。

        簡單原理:當(dāng)單擺擺動(dòng)時(shí),在沒有外力的作用下,擺球?qū)⒈3止潭ǖ臄[動(dòng)方向。如果地球在轉(zhuǎn)動(dòng),那么單擺下方的地面旋轉(zhuǎn),而懸在空中的擺球具有保持原來擺動(dòng)方向的慣性,對(duì)于地面觀察者來說,擺球的擺動(dòng)方向?qū)?huì)相對(duì)于地面發(fā)生變化。

        霸氣器材:超大型單擺——擺長為67m的單擺,擺錘為直徑30cm、重28kg的鐵球,鐵球下面帶有鐵筆,下面放一個(gè)直徑6m的沙盤。(擺球運(yùn)動(dòng)方向的改變是細(xì)微的,因此需要足夠長的擺長,才能觀察到足夠明顯的實(shí)驗(yàn)效果。沙盤可記錄擺球的擺動(dòng)方向)

        眼見為實(shí):1851年,傅科進(jìn)行了著名的傅科擺實(shí)驗(yàn)。他將上述單擺懸掛在巴黎萬神殿圓屋頂?shù)闹醒?,使它可以在任何方向自由擺動(dòng)。當(dāng)人們親眼看到單擺每振動(dòng)一次(周期為16.5s),擺尖在沙盤邊沿畫出的路線移動(dòng)約3mm,每小時(shí)偏轉(zhuǎn)11°20′(31小時(shí)47分回到原處)時(shí),許多人目瞪口呆,有人甚至在久久凝視后說:“確實(shí)覺得自己腳底下的地球在轉(zhuǎn)動(dòng)!”

        酷炫結(jié)果:傅科擺實(shí)驗(yàn)是地球自轉(zhuǎn)的最好證明。傅科也由此被當(dāng)時(shí)的法國政府授予榮譽(yù)騎士五級(jí)勛章。

        傅科的實(shí)驗(yàn)還在全世界引發(fā)了一股追風(fēng)熱潮。各地的人們紛紛效仿傅科,用長長的鐘擺來揭示地球的自轉(zhuǎn)。人們發(fā)現(xiàn),在地球的兩極,傅科擺的擺動(dòng)平面24小時(shí)轉(zhuǎn)一圈;而在赤道上,傅科擺沒有方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象;在兩極與赤道之間的區(qū)域,傅科擺方向的旋轉(zhuǎn)速度介于兩者之間。

        至今,巴黎萬神殿正中央依然保留著160多年前傅科擺實(shí)驗(yàn)所用的沙盤和標(biāo)尺。不僅僅是在巴黎,在世界各地你都可以看到傅科擺的身影,例如,你可以在北京天文館看到一個(gè)傅科擺的復(fù)制品。

        實(shí)在是太震撼了,還是做一道高考題來壓壓驚吧!

        高考題中的最美實(shí)驗(yàn)

        (2013·全國新課標(biāo)卷Ⅰ)如圖是伽利略1604年做斜面實(shí)驗(yàn)時(shí)的一頁手稿照片,照片左上角的三列數(shù)據(jù)如下表。表中第二列是時(shí)間,第三列是物體沿斜面運(yùn)動(dòng)的距離,第一列是伽利略在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)添加的。根據(jù)表中的數(shù)據(jù),伽利略可以得出的結(jié)論是( )

        1 1 32

        4 2 130

        9 3 298

        16 4 526

        25 5 824

        36 6 1192

        49 7 1600

        64 8 2104

        A.物體具有慣性

        B.斜面傾角一定時(shí),加速度與質(zhì)量無關(guān)

        C.物體運(yùn)動(dòng)的距離與時(shí)間的平方成正比

        D.物體運(yùn)動(dòng)的加速度與重力加速度成正比

        解析:從表格中的數(shù)據(jù)可知,時(shí)間變?yōu)樵瓉淼?倍,下滑的距離大約變?yōu)樵瓉淼?倍;時(shí)間變?yōu)樵瓉淼?倍,距離變?yōu)樵瓉淼?倍,可知物體運(yùn)動(dòng)的距離與時(shí)間的平方成正比。

        答案:C

        偉大的拉瓦錫

        拉瓦錫(1743年8月26日至1794年5月8日),法國貴族,著名化學(xué)家、生物學(xué)家,被后世尊稱為“近代化學(xué)之父”。

        拉瓦錫出身于富有的貴族家庭。在按家族傳統(tǒng)攻讀到律師文憑之后,他選擇走上了科學(xué)研究的道路。

        他使化學(xué)從定性轉(zhuǎn)為定量,給出了氧與氫的命名,并且預(yù)測(cè)了硅的存在。

        他提出了“元素”的定義,于1789年發(fā)表的第一個(gè)現(xiàn)代化學(xué)元素列表,就是根據(jù)他的定義列出的。不過這個(gè)跟大家背的那個(gè)門捷列夫元素周期表不一樣。這個(gè)表里只有33種元素,其中包括光與熱和一些當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是元素的化合物。

        他提出規(guī)范的化學(xué)命名法,撰寫了第一部真正現(xiàn)代化學(xué)教科書《化學(xué)基本論述》。

        他倡導(dǎo)和改進(jìn)定量分析方法,并用其驗(yàn)證了質(zhì)量守恒定律。

        他創(chuàng)立氧化說以解釋燃燒等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,指出動(dòng)物的呼吸實(shí)質(zhì)上是緩慢氧化。

        ……

        這些工作,特別是他所提出的新觀念、新理論、新思想,為近代化學(xué)的發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)。拉瓦錫之于化學(xué),猶如牛頓之于物理學(xué)。

        軍功章的一半屬于她

        以上是為我們所熟知的化學(xué)家拉瓦錫,同樣為我們所熟知的是化學(xué)教科書上的這張插圖:

        可是……拉瓦錫老師你在記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)不對(duì)?在研究空氣的成分對(duì)不對(duì)??做實(shí)驗(yàn)要專注對(duì)不對(duì)???這個(gè)眼神怎么如此的不走心?!那個(gè)方向有啥比空氣成分更重要的東西嗎?!

        你別說還真有。讓我們來看看原圖長啥樣:

        這就情有可原了。美麗的老婆大人在身邊倚著,who還care什么空氣成分?

        這張肖像畫是大名鼎鼎的畫家雅克·路易·大衛(wèi)創(chuàng)作于1788年,現(xiàn)收藏于大都會(huì)美術(shù)館。我們對(duì)比一下化學(xué)教科書的配圖就會(huì)發(fā)現(xiàn),書上的配圖不僅把拉瓦錫夫人裁掉了,還無情地涂黑了夫人的玉手。這樣真的好嗎?

        要知道,拉瓦錫夫人是拉瓦錫最為得力的助手。她是優(yōu)秀的文獻(xiàn)翻譯,把資料從英文翻譯成法文,其中包括約瑟夫·普利斯特里和亨利·卡文迪什的著作,拉瓦錫的研究離不開她翻譯的文獻(xiàn),推翻燃素學(xué)說也是得益于她的工作。除此之外,夫人還保存著拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)記錄,在她去世之前,幾乎能夠還原出拉瓦錫全部的實(shí)驗(yàn)筆記和儀器。軍功章有拉瓦錫的一半也有夫人的一半,教科書你隨便把人家涂掉真的好嗎?!

        悲劇就是把美好的東西毀滅給人看

        法國大革命爆發(fā)后,由于他人的陷害,1794年5月8日拉瓦錫被定罪,并在當(dāng)天與其他27個(gè)稅務(wù)官一起被推上斷頭臺(tái)。

        著名的法籍意大利數(shù)學(xué)家拉格朗日曾痛心地說:“他們可以一瞬間把他的頭割下,而他那樣的頭腦一百年也許長不出一個(gè)來?!?/p>

        拉瓦錫夫人雖然免于一死,但是新政府沒收了她的全部財(cái)產(chǎn),這還不算,所有的實(shí)驗(yàn)手記和設(shè)備也被通通收走。拉瓦錫夫人經(jīng)歷了這樣一場(chǎng)劫難,幾乎一無所有。但即使這樣,她依舊克服了諸多磨難,堅(jiān)持出版了拉瓦錫的回憶錄?;貞涗浝镉涗浿咤a和他的同事們十分寶貴的研究成果:液體的形成、有關(guān)熱量的研究、水的組成,等等。是她的不懈努力,讓自己愛人在化學(xué)領(lǐng)域那些偉大的研究成果在科學(xué)史上大放異彩。

        彩蛋在此!

        雖然拉瓦錫夫婦沒能同年同月同日生,也沒能同年同月同日死。

        雖然化學(xué)教科書壓根就沒讓拉瓦錫夫人露面,但是——

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