實驗在物理學建立與發(fā)展中的作用

【摘 要】：物理學是一門實驗學科，凡物理學的概念、規(guī)律及公式等都是以客觀實驗為基礎(chǔ)的，因此物理學絕不能脫離物理實驗結(jié)果的驗證。實驗是物理學的建立與發(fā)展的基礎(chǔ)與事實依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：物理實驗 事實 法則 假說 結(jié)論 新課題
        實驗是物理學建立與發(fā)展過程中的基礎(chǔ)與依據(jù)，本文從以下幾方面論述實驗在物理學建立與發(fā)展中的作用 。
        一、 實驗可以發(fā)現(xiàn)“事實”
        在加西奧特的時期陽極放電是最受注意的課題，后來陰極放電又壟斷了人們的興趣。赫茲發(fā)現(xiàn)“陰極射線”會穿過金屬箔。他的助手勒納制造了一個帶有小鋁箔窗的真空管，它使“陰極射線”通過這個窗口打進空氣之中，它們卻仍然保持有激起磷光的能力，但只能在空氣中運行一段距離而不能長期在空氣中運行。勒納認為，它的射線不是正在飛行中的微粒，而是“以太”中的現(xiàn)象。 當人們關(guān)于這些神秘的射線的性質(zhì)的討論正在進行過程中，維爾茨堡的倫琴通過實驗在1895年發(fā)現(xiàn)了一種新型的射線，它能引起一張涂有氰化鋇銅的屏閃閃發(fā)光或發(fā)熒光。對于普通光線不透明的紙、木頭、鋁和許多其他物質(zhì)，對于新的輻射卻是透明的。對于動物組織是透明的而對于骨骼多少是不透明的，這一事實使得給人的骨架進行照相成為可能，這種照相所得到的底片具有隱形圖樣的性質(zhì)。新射線的本性當時是不知道的，倫琴稱它們?yōu)椤癤射線”，但人們通常并且更恰當?shù)姆Q它們?yōu)椤皞惽偕渚�”。
        二、實驗可以建立“法則”
        庫侖從事研究毛發(fā)和金屬絲的扭轉(zhuǎn)彈性，這導致他在1777年發(fā)明了扭轉(zhuǎn)天平或“扭秤”。在這之前英國的米切爾曾提出一些類似的設計。有一個世紀，這個扭秤被寫進電學教科書中，雖然這個儀器現(xiàn)在已不在實驗室中使用了。庫侖以極大的機靈和精確性做了實驗，并用它證明了牛頓的平方反比定律也在電的以及磁的吸引和排斥中適用。 他證明這種作用是跟電量的乘積成正比；他也證明，電荷存在于導體的表面，并比較了導體不同部分的表面的電荷。他在1785和1789之間發(fā)表的電學研究報告，也為泊松后來建立他的數(shù)學理論提供了數(shù)據(jù)。
        三、實驗可以驗證“假說”
        一些學者認為熱是運動的一種表現(xiàn)。如弗蘭西斯 培根，他從摩擦生熱等現(xiàn)象中得出熱是一種膨脹的、被約束的而在其中作用于物體的較小粒子之上的運動。波義爾也曾做過用力學方法產(chǎn)生熱的實驗，他認為釘子敲打之后能變熱，是運動被阻而變熱的證明。牛頓也認為熱不是物質(zhì)而是組成物體微觀粒子的機械運動。 1827年，蘇格蘭植物學家R 布朗第一個注意到，漂浮在水中的植物花粉從不靜止，而是像跳一種“塔蘭臺拉”舞那樣無規(guī)則的跳來跳去，仿佛不斷地被某種看不見的力量踢來踢去似的。 人們長期都不知道其中的原理。50年后，JJ德耳索提出這些微小顆粒是受到周圍分子的不平衡的碰撞而導致的運動。后來得到愛因斯坦的研究的證明。布朗運動也就成為分子運動論和統(tǒng)計力學發(fā)展的基礎(chǔ)。       四、實驗可以構(gòu)建“模型”
        當盧瑟福在曼徹斯特大學時他就發(fā)現(xiàn)，開爾芬和JJ湯姆孫的原子模型不適用于解釋α粒子通過不同種類的物質(zhì)時的散射量。 
因此，盧瑟福修改了這個模型，把這個模型里外對調(diào)，因而，正像集中在約只有原子直徑0.0001的原子核的中心，這個原子核被電子圍繞，電子的分布是使原子呈電中性的，還有必要假定的是，原子的大部分質(zhì)量是在正電荷上。這個原子模型的微型是行星系，多少有點類似于勒納在1903年構(gòu)想的“力心”。如果一個帶正電的α粒子通過金原子中心的附近，那么它將劃出一條雙曲線軌道。當α粒子越接近金原子核時，那么，它的偏斜就越大。這樣，盧瑟福和E G 馬斯登實驗測定的α粒子的散射闡明了原子的結(jié)構(gòu)。
        五、實驗可以引出“課題”
        在邁克爾孫之前，許多科學家都認為波是通過“以太”來傳播的，而地面上一切測量光速的方法，都是使光沿同樣路徑返回，因此測不出地球相對于“以太”的速度。而二十七歲的邁克爾孫偏想設計一種方法來測一測“無法觀測出來”的“地球速度與光速之比的平方”。如果“以太”不跟隨地球運動，那么就會有“以太風”，使兩束光之間有光程差，因而應當能夠觀察到干涉條紋的移動。1881年4月，邁克爾孫在歐洲波茨坦天文觀測站的地下室里進行了第一次實驗，結(jié)果使他非常失望，觀測到的總是零結(jié)果。同年8月，他以《地球與以太的相對運動》為題公布了實驗結(jié)果，并引起轟動。邁克爾孫自己也認為這是一個失敗的實驗，以致使他不愿提起這個丟臉的實驗。1884年秋，開爾文和瑞利訪問美國的時候鼓勵邁克爾孫繼續(xù)實驗下去，認為有希望找到“以太”。這一次，數(shù)理根底扎實的化學家莫雷參與了實驗，根據(jù)莫雷的提議改進了儀器，使精度提高了一個數(shù)量級，經(jīng)過這種改進，ΔN的理論值已高達0.4，接近于第一條暗條紋（ΔN=0.5）的中心位置，理應是絕對有把握能觀察到的，但是，得到的還是零結(jié)果，以致使他們?nèi)∠�了不同季�?jié)進行試驗的計劃。1887年11月，他們聯(lián)名以《關(guān)于地球與光以太的相對運動》為題公布了實驗結(jié)果。當然，后來人們繼續(xù)多次改進實驗，但得到的仍然是零結(jié)果。邁克爾孫原本是想測出“以太風”的速度，然而他測到的零結(jié)果，卻為當時被認為是物理學基石的“以太說”帶來了危機，幾乎所有杰出的物理學家都在設法解釋邁克爾孫—莫雷實驗，它被認為是十九世紀末物理學晴朗天空中出現(xiàn)的兩朵“烏云”之一。
        參考文獻：
        [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這（約1760年）之前哥丁根的托比阿斯 邁爾證明的。見Albrecht,Gesca d’ Elect.,p.75。
        [3]庫侖的七篇論文最初發(fā)表在Mémoirs de l’ Académie royale des sciences,1785和1786.前四篇 譯文載于Dstwald’s klassiker.No.13.
        [4]劉筱莉、仲扣莊主編：《物理學史》，南京師范大學出版社。
        [5][美]喬治 伽莫夫：《物理學發(fā)展史》，高士圻譯，商務印刷館出版

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