实验在物理学建立与发展中的作用

实验在物理学建立与发展中的作用

【摘 要】：物理学是一门实验学科，凡物理学的概念、规律及公式等都是以客观实验为基础的，因此物理学绝不能脱离物理实验结果的验证。实验是物理学的建立与发展的基础与事实依据。
【关键词】：物理实验 事实 法则 假说 结论 新课题
        实验是物理学建立与发展过程中的基础与依据，本文从以下几方面论述实验在物理学建立与发展中的作用 。
        一、 实验可以发现“事实”
        在加西奥特的时期阳极放电是最受注意的课题，后来阴极放电又垄断了人们的兴趣。赫兹发现“阴极射线”会穿过金属箔。他的助手勒纳制造了一个带有小铝箔窗的真空管，它使“阴极射线”通过这个窗口打进空气之中，它们却仍然保持有激起磷光的能力，但只能在空气中运行一段距离而不能长期在空气中运行。勒纳认为，它的射线不是正在飞行中的微粒，而是“以太”中的现象。 当人们关于这些神秘的射线的性质的讨论正在进行过程中，维尔茨堡的伦琴通过实验在1895年发现了一种新型的射线，它能引起一张涂有氰化钡铜的屏闪闪发光或发荧光。对于普通光线不透明的纸、木头、铝和许多其他物质，对于新的辐射却是透明的。对于动物组织是透明的而对于骨骼多少是不透明的，这一事实使得给人的骨架进行照相成为可能，这种照相所得到的底片具有隐形图样的性质。新射线的本性当时是不知道的，伦琴称它们为“X射线”，但人们通常并且更恰当的称它们为“伦琴射线”。
        二、实验可以建立“法则”
        库仑从事研究毛发和金属丝的扭转弹性，这导致他在1777年发明了扭转天平或“扭秤”。在这之前英国的米切尔曾提出一些类似的设计。有一个世纪，这个扭秤被写进电学教科书中，虽然这个仪器现在已不在实验室中使用了。库仑以极大的机灵和精确性做了实验，并用它证明了牛顿的平方反比定律也在电的以及磁的吸引和排斥中适用。 他证明这种作用是跟电量的乘积成正比；他也证明，电荷存在于导体的表面，并比较了导体不同部分的表面的电荷。他在1785和1789之间发表的电学研究报告，也为泊松后来建立他的数学理论提供了数据。
        三、实验可以验证“假说”
        一些学者认为热是运动的一种表现。如弗兰西斯 培根，他从摩擦生热等现象中得出热是一种膨胀的、被约束的而在其中作用于物体的较小粒子之上的运动。波义尔也曾做过用力学方法产生热的实验，他认为钉子敲打之后能变热，是运动被阻而变热的证明。牛顿也认为热不是物质而是组成物体微观粒子的机械运动。 1827年，苏格兰植物学家R 布朗第一个注意到，漂浮在水中的植物花粉从不静止，而是像跳一种“塔兰台拉”舞那样无规则的跳来跳去，仿佛不断地被某种看不见的力量踢来踢去似的。 人们长期都不知道其中的原理。50年后，JJ德耳索提出这些微小颗粒是受到周围分子的不平衡的碰撞而导致的运动。后来得到爱因斯坦的研究的证明。布朗运动也就成为分子运动论和统计力学发展的基础。       四、实验可以构建“模型”
        当卢瑟福在曼彻斯特大学时他就发现，开尔芬和JJ汤姆孙的原子模型不适用于解释α粒子通过不同种类的物质时的散射量。 
因此，卢瑟福修改了这个模型，把这个模型里外对调，因而，正像集中在约只有原子直径0.0001的原子核的中心，这个原子核被电子围绕，电子的分布是使原子呈电中性的，还有必要假定的是，原子的大部分质量是在正电荷上。这个原子模型的微型是行星系，多少有点类似于勒纳在1903年构想的“力心”。如果一个带正电的α粒子通过金原子中心的附近，那么它将划出一条双曲线轨道。当α粒子越接近金原子核时，那么，它的偏斜就越大。这样，卢瑟福和E G 马斯登实验测定的α粒子的散射阐明了原子的结构。
        五、实验可以引出“课题”
        在迈克尔孙之前，许多科学家都认为波是通过“以太”来传播的，而地面上一切测量光速的方法，都是使光沿同样路径返回，因此测不出地球相对于“以太”的速度。而二十七岁的迈克尔孙偏想设计一种方法来测一测“无法观测出来”的“地球速度与光速之比的平方”。如果“以太”不跟随地球运动，那么就会有“以太风”，使两束光之间有光程差，因而应当能够观察到干涉条纹的移动。1881年4月，迈克尔孙在欧洲波茨坦天文观测站的地下室里进行了第一次实验，结果使他非常失望，观测到的总是零结果。同年8月，他以《地球与以太的相对运动》为题公布了实验结果，并引起轰动。迈克尔孙自己也认为这是一个失败的实验，以致使他不愿提起这个丢脸的实验。1884年秋，开尔文和瑞利访问美国的时候鼓励迈克尔孙继续实验下去，认为有希望找到“以太”。这一次，数理根底扎实的化学家莫雷参与了实验，根据莫雷的提议改进了仪器，使精度提高了一个数量级，经过这种改进，ΔN的理论值已高达0.4，接近于第一条暗条纹（ΔN=0.5）的中心位置，理应是绝对有把握能观察到的，但是，得到的还是零结果，以致使他们取消了不同季节进行试验的计划。1887年11月，他们联名以《关于地球与光以太的相对运动》为题公布了实验结果。当然，后来人们继续多次改进实验，但得到的仍然是零结果。迈克尔孙原本是想测出“以太风”的速度，然而他测到的零结果，却为当时被认为是物理学基石的“以太说”带来了危机，几乎所有杰出的物理学家都在设法解释迈克尔孙—莫雷实验，它被认为是十九世纪末物理学晴朗天空中出现的两朵“乌云”之一。
        参考文献：
        [1]ondon).Vol.32.March 23,1893;Vol.33.1894,p.108。
        [2]遵循反平方定律的磁作用是在这（约1760年）之前哥丁根的托比阿斯 迈尔证明的。见Albrecht,Gesca d’ Elect.,p.75。
        [3]库仑的七篇论文最初发表在Mémoirs de l’ Académie royale des sciences,1785和1786.前四篇 译文载于Dstwald’s klassiker.No.13.
        [4]刘筱莉、仲扣庄主编：《物理学史》，南京师范大学出版社。
        [5][美]乔治 伽莫夫：《物理学发展史》，高士圻译，商务印刷馆出版

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