物理學(xué)史-實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)發(fā)展中的地位和作用

1、實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)發(fā)展中的地位和作用實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的和作用實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的和作用實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)發(fā)展中的地位實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)發(fā)展中的地位實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的和作用 物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的科學(xué)。在物理學(xué)的發(fā)展中, 實(shí)驗(yàn)起了重要作用。它是人們根據(jù)研究的目的, 運(yùn)用科學(xué)儀器,人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自然過(guò)程, 使之按預(yù)期的進(jìn)程發(fā)展,同時(shí)在盡可能減少干擾的情況下進(jìn)行觀測(cè), (定性的或定量的), 以探求該自然過(guò)程變化規(guī)律的一種科學(xué)活動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和觀察觀察都是搜集事實(shí)的科學(xué)實(shí)踐, 但兩者有所不同。是不同層次的認(rèn)識(shí)手段, 起著不同的作用,兩者不可偏廢。 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)生產(chǎn)勞動(dòng)也有根本區(qū)別。兩者都有改

2、造世界的任務(wù), 但目的并不相同。 伽利略的單擺實(shí)驗(yàn)和斜面實(shí)驗(yàn)為研究力學(xué)規(guī)律提供了重要依據(jù); 庫(kù)侖通過(guò)滑板實(shí)驗(yàn)提出摩擦定律; 胡克的彈性實(shí)驗(yàn)、玻意耳的空氣壓縮實(shí)驗(yàn)、波雷里的表面張力實(shí)驗(yàn)為物理學(xué)提供了新事實(shí)和新規(guī)律。在物理學(xué)的發(fā)展中, 從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué), 著名的物理實(shí)驗(yàn)不勝枚舉, 從事實(shí)驗(yàn)工作的物理學(xué)家何止成千上萬(wàn)。他們置身于艱苦的實(shí)驗(yàn)研究之中, 為推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展努力奮斗。他們的目標(biāo)是什么? 對(duì)物理學(xué)的發(fā)展起了什么樣的推動(dòng)作用?縱觀物理學(xué)三百余年的發(fā)展史, 可以概括成如下幾個(gè)方面: 一、發(fā)現(xiàn)新事實(shí)一、發(fā)現(xiàn)新事實(shí), , 探索新規(guī)律探索新規(guī)律 力學(xué) 庫(kù)侖定律的驗(yàn)證、歐姆定律的建立、奧斯特發(fā)現(xiàn)

3、電流的磁效應(yīng)、法拉第發(fā)現(xiàn)電解定律和電磁感應(yīng)現(xiàn)象, 無(wú)一不是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出的。電學(xué) 光的干涉、衍射、偏振以及雙折射等現(xiàn)象也都是首先在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的, 這些實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了光的波動(dòng)性; 從色散的研究到光譜學(xué)的發(fā)展, 實(shí)驗(yàn)更是基本的認(rèn)識(shí)途徑, 正是這一系列研究把人們帶進(jìn)了原子領(lǐng)域。力學(xué) 19 世紀(jì)末, 經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到了相當(dāng)完善的地步, 人們紛紛認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)到頂了, 以后只是把常數(shù)測(cè)得再準(zhǔn)些, 向小數(shù)點(diǎn)后面推進(jìn)而已。然而, 正是實(shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)打破了沉悶的空氣, 揭示了經(jīng)典物理學(xué)的嚴(yán)重不足。世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)開(kāi)拓了新的領(lǐng)域, 把物理學(xué)推進(jìn)到一個(gè)新階段。 物理學(xué)有許多分支, 匯合起來(lái)組成物理學(xué)的主干, 每個(gè)分

4、支在其發(fā)展之初, 都有大量的實(shí)驗(yàn)為之奠基, 各分支在其發(fā)展的各個(gè)階段大多有新的實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充新的事實(shí), 從而使各分支更加充實(shí), 更加全面。這一切說(shuō)明了: 實(shí)驗(yàn), 只有實(shí)驗(yàn), 才是物理學(xué)的基礎(chǔ)。 二、檢驗(yàn)理論二、檢驗(yàn)理論, , 判定理論的適用范圍判定理論的適用范圍例如例如: : 麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論以一組簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)方程概括得十分優(yōu)美對(duì)稱(chēng), 但當(dāng)年卻難以令人信服。直到二十多年后他預(yù)言的電磁波被赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí), 他的學(xué)說(shuō)才成為舉世公認(rèn)的電磁理論基礎(chǔ)。1905年, 愛(ài)因斯坦用光電子假說(shuō)總結(jié)了光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)之間長(zhǎng)期的爭(zhēng)論,能很好地解釋勒納德的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果但是直到1916年,當(dāng)密立根以極其嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)全面

5、地證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光電方程之后, 光的粒子性才為人們所接受。同樣, 德布羅意的物質(zhì)波假說(shuō)也是在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子衍射之后才得到肯定。從諾貝爾物理獎(jiǎng)的頒發(fā)可以看到人們對(duì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的評(píng)價(jià)從諾貝爾物理獎(jiǎng)的頒發(fā)可以看到人們對(duì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的評(píng)價(jià)表 14-1 諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)年代獲獎(jiǎng)?wù)呒捌浍@獎(jiǎng)內(nèi)容主要工作年代實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)甏@獎(jiǎng)年代愛(ài)因斯坦光電子理論190519161921德布羅意物質(zhì)波理論192319271929湯川秀樹(shù)介子理論193519471949李政道楊振寧宇稱(chēng)不守恒原理195619561957溫伯格-薩拉姆-格拉肖弱電統(tǒng)一理論1967-19681973-19781979 實(shí)踐是檢驗(yàn)理論的客觀標(biāo)準(zhǔn)。從表 14-1

6、 可以看出, 一個(gè)理論的正確性, 不僅在于它能說(shuō)明多少現(xiàn)象, 也不僅在于它的自洽性,更重要的是它能否得到實(shí)驗(yàn)的肯定, 它所作的預(yù)言, 被爾后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)到什么程度。 理論只有一定的適用范圍,這個(gè)范圍往往要靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。理論與實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的兩大部分, 相輔相成, 缺一不可。三、測(cè)定常數(shù)三、測(cè)定常數(shù)例如: 萬(wàn)有引力常數(shù)的數(shù)值, 自牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律以來(lái), 一直是人們力求測(cè)出和測(cè)準(zhǔn)的對(duì)象；光速是測(cè)得最準(zhǔn)的基本物理常數(shù)之一。 常數(shù)之間的協(xié)調(diào)是檢驗(yàn)物理理論的重要途徑, 從玻爾原子模型理論最初的論證可以找到范例。經(jīng)這個(gè)理論比較不同渠道得到的里德伯常數(shù), 在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)基本相符, 說(shuō)明了理論的自洽性。 四

7、、推廣應(yīng)用四、推廣應(yīng)用, , 開(kāi)拓新領(lǐng)域開(kāi)拓新領(lǐng)域n 不論是蒸汽技術(shù)還是電工技術(shù)都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn),其中包括許多熱學(xué)實(shí)驗(yàn)、物性學(xué)實(shí)驗(yàn)和電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)。各種發(fā)明創(chuàng)造, 諸如杜瓦瓶、致冷機(jī)、電燈、電報(bào)等等, 無(wú)不是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究才逐漸完善的。n 進(jìn)入二十世紀(jì), 無(wú)線電電子學(xué)異軍突起。從電子管到晶體管,從無(wú)線電報(bào)到雷達(dá), 科學(xué)理論通過(guò)實(shí)驗(yàn)這一中間環(huán)節(jié), 不斷起著改造世界的作用, 包括補(bǔ)充和改造科學(xué)理論自身。n 在物理學(xué)工作者中,從事實(shí)驗(yàn)的有90%以上。他們工作各個(gè)方面,從光譜學(xué)到激光技術(shù),從電子顯微鏡到掃描隧道顯微鏡,從低溫技術(shù)到超導(dǎo)研究,無(wú)不凝聚了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的心血。實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)發(fā)展中的地位n 最早的物

8、理實(shí)驗(yàn)往往是在私人住宅中進(jìn)行的, 研究者經(jīng)常把自己的住房的一部分當(dāng)作科學(xué)研究的場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)室的早期歷史n 實(shí)驗(yàn)室作為一個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的專(zhuān)門(mén)場(chǎng)所或建筑物, 并不是最先從物理學(xué)開(kāi)始的?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室和天文學(xué)觀測(cè)站比物理實(shí)驗(yàn)室早得多。n 近代化學(xué)的奠基人很重視實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。俄國(guó)的羅蒙諾索夫說(shuō)服了俄國(guó)科學(xué)院在彼得堡于 1748 年建立了一所裝備精良的實(shí)驗(yàn)室。著名化學(xué)家拉瓦錫( lavoisier) 于17761792 年在巴黎兵工廠建立的實(shí)驗(yàn)室裝備優(yōu)良, 對(duì)科學(xué)界影響較大。n 英國(guó)另一所著名的實(shí)驗(yàn)基地叫英國(guó)皇家研究所,原來(lái)也是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 由倫福德創(chuàng)建于1800年,其宗旨是進(jìn)行科學(xué)知識(shí)的普及。眾所周知,在這個(gè)研

9、究所里, 法拉第以畢生精力研究了各種電化學(xué)和電磁現(xiàn)象, 發(fā)現(xiàn)了電解定律、電磁感應(yīng)和磁光效應(yīng)。19 世紀(jì)的物理實(shí)驗(yàn)室n 19 世紀(jì)初, 法國(guó)是實(shí)驗(yàn)研究的中心例如: 以精密量計(jì)著稱(chēng)的法國(guó)工藝學(xué)院( cnam) 開(kāi)始是博物館之類(lèi)的場(chǎng)所, 1829 年建成實(shí)驗(yàn)室。最早的規(guī)模較大的物理實(shí)驗(yàn)室要算柏林大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室了。它是由馬格努斯(h. g. magnus, 18021870) 創(chuàng)建的,由于規(guī)模逐漸擴(kuò)大, 柏林大學(xué)給予適當(dāng)?shù)呢?cái)政資助, 這所私人實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)變成大學(xué)機(jī)構(gòu)的一部分, 1863 年正式成為柏林大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室, 是當(dāng)時(shí)世界上屈指可數(shù)的一所正規(guī)物理實(shí)驗(yàn)，柏林大學(xué)也因此成為歐洲物理學(xué)研究中心之一。柏林

10、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的成功經(jīng)驗(yàn)吸引了英國(guó)同行的注意, 也開(kāi)始按德國(guó)的模式建立實(shí)驗(yàn)室。1846 年, 開(kāi)爾文被任命為格拉斯哥(glasgow) 大學(xué)物理學(xué)教授。,他將講堂附近一座廢棄了的酒窖布置成一個(gè)實(shí)驗(yàn)室, 。到 1866 年, 這所實(shí)驗(yàn)室才正式被大學(xué)承認(rèn)。英國(guó)當(dāng)時(shí)還有幾所大學(xué)建立了物理實(shí)驗(yàn)室, 但未納入正規(guī)的物理課程, 也沒(méi)有規(guī)定學(xué)生必須參加研究。待到 19 世紀(jì)后期, 牛津大學(xué)建立了克拉倫敦(clarendon) 實(shí)驗(yàn)室, 劍橋大學(xué)建立了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室。這兩所實(shí)驗(yàn)室在世界上都很有名, 其中尤以卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的影響最大。物理實(shí)驗(yàn)室的典范卡文迪什實(shí)驗(yàn)室n 在現(xiàn)化物理學(xué)的發(fā)展中, 實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)更具有重

11、要意義。卡文迪什實(shí)驗(yàn)室作為 20 世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)源地之一, 它的經(jīng)驗(yàn)具有特殊的意義。n 卡文迪什實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)于英國(guó)劍橋大學(xué)的物理系。劍橋大學(xué)建于1209 年, 歷史悠久,與牛津大學(xué)遙相對(duì)應(yīng)?？ㄎ牡鲜矊?shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于1871 年,1874年建成,是當(dāng)時(shí)劍橋大學(xué)校長(zhǎng)w.卡文迪什(william cavendish) 私人捐款興建的(他是 h. 卡文迪什的近親),這個(gè)實(shí)驗(yàn)室就取名為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室?？ㄎ牡鲜矊?shí)驗(yàn)室外景早期的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室第一任實(shí)驗(yàn)室主任： 麥克斯韋（1874-1879）第二任實(shí)驗(yàn)室主任： 瑞利勛爵（1842-1919）第三任實(shí)驗(yàn)室主任： j.j.湯姆孫爵士（1856-1940）第四任實(shí)驗(yàn)室主任： 盧瑟福（1919-1937）第五任實(shí)驗(yàn)室主任： 勞倫斯.布拉格（1938-1953）第六任實(shí)驗(yàn)室主任： 勞倫斯.布拉格（1954-1970）第七任實(shí)驗(yàn)室主任： 皮帕德（1971-1982）20世紀(jì)世界著名實(shí)驗(yàn)室實(shí)例進(jìn)入二十世紀(jì), 各類(lèi)物理實(shí)驗(yàn)室如雨后春筍, 研究工作廣泛開(kāi)展。下面選取若干有代表性的, 對(duì)科學(xué)發(fā)展起過(guò)或正在起重要作用的物理實(shí)驗(yàn)室, 分別作些介紹。第一類(lèi)是建立在大學(xué)里面, 附屬于大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。例如: 一、荷蘭的萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室 二、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室第三類(lèi)實(shí)驗(yàn)室直接歸屬于工業(yè)企業(yè)部門(mén), 為工業(yè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究服務(wù)。其中