本
文
摘
要
2005年9月份出版的《物理学世界》刊登了选出的排名前10位的最美丽实验，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。来看看是哪些实验，哪些是经典力学中的实验:电子双缝干涉实验、伽利略的自由落体实验、密立根油滴实验、牛顿的棱镜色散实验、杨氏双缝干涉实验、卡文迪许扭矩实验、测量地球圆周长实验、伽利略斜面实验、卢瑟福a粒子散射实验、傅科摆实验。
先了解排名第2的伽利略的自由落体实验。在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已经这么说了。伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆地向公众的观点挑战。著名的比萨斜塔实验已经成为科学中的一个故事:他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个物体同时落地。事实上，自由落体实验在伽利略以前就有人做过，并留下了史学记载。荷兰的斯悌文在他1586年的著作中更明确地记载有自由落体实验，只是斯悌文并没有根据落体实验作进一步的理论探讨。在伽利略去世300多年后的1971年，乘 *** 15号飞船登月的宇航员斯科特将一把锤子和一根羽毛带上了月球，在没有大气的月球上做了有趣的自由落体试验。结果当然是轻柔的羽毛和沉重的铁锤同时落到月面。伽利略挑战亚里士多德的代价是他失去了工作，但他展示的是自然界的本质，而不是人类的权威，科学作出了最后的裁决。
下面了解排名第6的卡文迪许扭矩实验。1798年，卡文迪许利用扭秤，成功地测出了引力常量的数值，证明了万有引力定律的正确。卡文迪许解决问题的思路是，将不易观察的微小变化量，转化为容易观察的显著变化量，再根据显著变化量与微小量的关系算出微小的变化量。实验原理是这样的:卡文迪许用两个铁球分别放在扭秤的两端，扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子。用激光照射镜子，激光反射到一个很远的地方，标记下此时激光所在的点。用两个质量一样的铁球同时分别吸引扭秤上的两个铁球。由于万有引力作用。扭秤微微偏转。但激光所反射的远点却移动了较大的距离，他用此计算出了万有引力公式中的常量G，此实验的巧妙之处在于将微弱的力的作用进行了放大。
下面了解排名第7埃拉托色尼测量地球圆周长实验。古希腊地理学家埃拉托色尼将天文学与测地学结合起来，他选择同一子午线上的两地塞恩和亚历山大里亚，在夏至日那天进行太阳位置观察的比较。在塞恩附近，尼罗河的一个河心岛洲上，有一口深井，夏至日那天太阳光可直射井底。这一现象闻名已久，吸引着许多旅行家前来观赏奇景，它表明太阳在夏至日正好位于天顶。与此同时，他在亚历山大里亚选择了一个很高的方尖塔作参照，并测量了夏至日那天塔的阴影长度，这样他就可以量出直立的方尖塔和太阳光射线之间的角度。获得了这些数据之后，他运用了泰勒斯的数学定律，即一条射线穿过两条平行线时，它 们的对角相等。埃拉托色尼通过观测得到了这一角度相当于圆周角360的1/50。由此表明，这一角度对应的弧长，即从塞恩到亚历山大里亚的距离，应相当于地球周长的1/50。下-步埃拉托色尼借助于皇家测量员的测地资料，测量得到这两个城市的距离是5000希腊里。一旦得到这个结果，地球周长只要乘以50即可，埃拉托色尼测量的地球周长为39360公里，与地球实际周长非常相近。
下面了解排名第8的伽利略斜面实验。伽利略通过科学推理，认为如果一切接触面都是光滑的， 一个钢珠从斜面的某一高度 处静止滚下，由于只受重力，没有阻力产生能量损耗，那么它必定到达另一斜面的同一高度，如果斜面 变成水平面，则钢珠找不到同样的高度而会一直保持一种运动状态， 永不停止运动下去。由此推断，物体在光滑的水平面上做匀速运动不需要外力来维持。
最后来看排名第10的傅科摆实验。为了证明地球在自转，法国物理学家傅科于1851年做了一次成功的摆动实验，傅科摆由此而得名。实验在法国巴黎先贤祠最高的圆顶下方进行，摆长67米，摆锤重28公斤，悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。这种摆惯性和动量大，因而基本不受地球自转影响而自行摆动，并且摆动时间很长。在傅科摆试验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。分析这种现象，摆在摆动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向不会改变，因而可知，这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球是在自转。上面我们介绍的是最美丽的十大物理实验中的力学实验。
美国的物理学家评出的这些实验共同之处是它们都“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂，这种美丽是一种经典概念:最简单的仪器和设备，最根本、最单纯的科学结论，就像是一座座历史丰碑一样，人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界的认识更加清晰。