物理史上最美的十大實驗(上)

2020-12-07 愛學習物理的小貓
在巴黎的傅科擺
傅科擺證明地球自轉

TOP10——證明地球自轉的傅科擺

傅科擺於1851年2月首度次在巴黎天文臺的子午儀室公開展示 。幾個星期之後,傅科製做了他最著名的單擺,他在巴黎先賢祠的拱頂下以67米長的鋼索懸掛著一顆28千克重的鉛錘。這個單擺的擺動平面以每小時順時針方向11°,以32.7小時環繞一圈。如果要地球自轉的具體數據那就需要用到很複雜的拓撲學,證明和計算的過程極其複雜,一般人都基本看不懂,但是傅科擺只是需要一條長長的繩子,下面吊著一個質量適當的小金屬球就能證明了,只要觀察小球在地面的運動軌跡就能證明地球在自轉,配上上圖後只要有學過地球知識的初中生都能理解了。

TOP9——發現核子的盧瑟福α粒子散射實驗

原子核物理之父盧瑟福提出的原子行星模型給了物理一個新的領域,我們研究物理也從宏觀、天文宇宙範圍轉向了微粒,因此還產生了量子力學這一門學科。實驗用準直的α射線轟擊厚度為微米的金箔,發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔,偏轉很小,但有少數α粒子發生角度比湯姆生模型所預言的大得多的偏轉,大約有1/8000 的α粒子偏轉角大於90°,甚至觀察到偏轉角等於150°的散射,稱大角散射,更無法用湯姆森模型說明。盧瑟福就推翻之前他老師的原子模型,提出了盧瑟福模型,因為α粒子轟擊原子後,會有一小部分給反彈回來,說明了原子中心有一個帶正電的核心,而大部分給穿透過去了,說明這個核心很小,核心外的空間很大,給轟擊後的質量減少了很多,所以盧瑟福就提出了我們今天所學的那種原子模型:原子核很小,但是佔有原子的幾乎全部質量,原子核帶正電,量子力學創始人之一的波爾提出電子躍遷理論就是基於盧瑟福的原子模型。

TOP8——早期版的慣性定律伽利略的斜面實驗

伽利略實在牛頓大神之前被譽為最偉大的實驗物理學家,最美的十大物理實驗中他就佔了2個了。在軌道的一邊釋放一顆鋼珠,如果忽略摩擦力帶來的影響,我們發現鋼珠從左邊滾下後,再從右邊的斜面滾上,鋼珠將上升到與左邊釋放高度相同的點;若將右邊的傾斜角減小,鋼珠還是上升到原來的高度,但通過的路程比原來更長;假設右邊的軌道為水平,鋼珠想要達到原來的高度,但是鋼珠無法達到原來的高度,鋼珠將永遠運動下去。看到這裡是不是想起了我們初中學過的某個定律了,沒錯,那就是牛頓第一定律也叫慣性定律,牛頓只是在伽利略的這個實驗基礎上把它系統化和具體化而已。

TOP7——埃拉託色尼測地球周長實驗

埃拉託色尼天才地將天文學與測地學結合起來,第一個提出設想在夏至日那天,分別在兩地同時觀察太陽的位置,並根據地物陰影的長度之差異,加以研究分析,從而總結出計算地球圓周的科學方法。小時候總在想我們是怎麼測量地球的大小的呢?真的是拿一把捲尺去量嗎?今天終於搞懂了。如上圖:光線是平行的,根據兩直線平行,同位角相等我們可以得出圖上兩個角相等,只要測出下面這個角的讀數就知道上面那個角的讀數,然後再測出亞歷山大港和錫恩兩地的距離,再根據圓弧公式就可以輕鬆算出地球的周長了,初三學生學了這個圓弧公式的估計都能算出來了,實在是太巧妙了。

TOP6——萬有引力常數測量實驗卡文迪許扭矩實驗

萬有引力定律的作用就肯定不用說了,送人上月球,送人造衛星上天都離不開這個公式算出來的宇宙第一速度,其中在萬有引力定律公式中有一個常數——萬有引力常數,要是這個常數測不出來,那麼這個公式也計算不了,那麼這就不得不提一個人——卡文迪許,他設計的這個實驗把萬有引力常數準確的測出來了,從他測算到今天80多年依然是最準確的數值,而且最近18年千克的新定義出來了——1千克被定義為「對應普朗克常數為6.62607015×10J·s時的質量單位」。而測量這個普朗克常數的也是用這個實驗測出來的。他的基本原理是這樣的,如上圖動圖,在兩個小球中間放一個鏡子,一束光射到這個鏡子上,通過測量他們因為萬有引力而產生的角度差去求得弧長,在計算出萬有引力的常數。

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