實驗對物理學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)

1、實驗對物理學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)馮君物理學(xué)是一門實驗科學(xué),物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中占有極其重要的地位。從物理學(xué)的發(fā)展史看,無論是經(jīng)典物理學(xué)還是現(xiàn)代物理學(xué),任何一個新理論的誕生無一不是通過實驗揭示或者是通過實驗驗證而逐漸趨于完善的。從古希臘開始,在自然哲學(xué)的名義下,人們一直尋求對自然規(guī)律的理解,物理知識建立在直接觀察和日常生活經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上,如對物體的水平運動,亞里士多德認(rèn)為是強制行動,按日常經(jīng)驗是推力和壓力引起的,當(dāng)產(chǎn)生它們的原因停止時,物體就歸于靜止。這就是亞里士多德從直觀中歸納出來的結(jié)論,這里不用數(shù)學(xué),沒有實驗測量,僅有的是對地面上物體的直觀思考。而伽里略對這個問題卻進行了實驗研究,對水平運動,對在不

2、同光滑程度平面上運動的物體平面滑多遠(yuǎn)做了實驗分析,并考慮在沒有摩擦的極限條件下物體能滑行多遠(yuǎn),為此引入了理想平面的概念。物體在理想平面上滑行是一個可以設(shè)想但無法實現(xiàn)的理想實驗,通過它獲得了一切物體具有慣性的普遍結(jié)論。由于伽里略把實驗方法與物理規(guī)律研究結(jié)合起萊,從而對物理學(xué)的發(fā)展作出了杰出的、劃時代的貢獻(xiàn)。伽里略做了單擺的實驗并得出了單擺振動定律,做了物體在斜面上運動的實驗從而驗證了物體在重力的作用下做勻加速運動的性質(zhì),并總結(jié)出初速度為零勻加速運動距離與時間平方成正比的普遍規(guī)律。伽里略把實驗引入物理學(xué),用科學(xué)的方法代替亞里士多德的直觀推理方法,把科學(xué)的實驗方法發(fā)展到了一個新高度,從而使物理學(xué)走上

3、了真正的科學(xué)道路。愛因斯坦評論說“伽里略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。”在物理學(xué)發(fā)展史上,許多理規(guī)律是從實驗中總結(jié)概括出來的。開普勒三定律是根據(jù)第谷布拉赫所積累的大量的觀測資料并采納了哥白尼圓軌道修正為橢圓軌道而總結(jié)出來的。牛頓三定律是在伽里略、開普勒、胡克、惠更斯等人的大量實驗工作的基礎(chǔ)上完成的。熱力學(xué)中的熱力學(xué)第一定律和第二定律是卡諾、焦耳、亥姆霍茲、達(dá)爾文、克勞修斯等人通過大量的實驗而得到的。電磁學(xué)中的一系列定律,如庫侖發(fā)明扭秤,用扭秤精確測量了電力和磁力得出了庫侖定律歐姆做了大量的開拓性實驗,得到了在電學(xué)發(fā)展史上具有更重要意義

4、的歐姆定律安培對電流與電流之間的相互作用進行探討,設(shè)計了四個極其精巧的實驗,并在這些實驗的基礎(chǔ)上進行數(shù)學(xué)推導(dǎo),總結(jié)出普遍的安培定律法拉第通過大量精心設(shè)計的實驗,發(fā)現(xiàn)了法拉第定律,并在大量的實驗基礎(chǔ)上創(chuàng)建了力學(xué)思想和場的概念,為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎(chǔ)。原子光譜中的巴爾末公式和里德堡公式是把實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過綜合歸納而獲得的經(jīng)驗公式。不僅經(jīng)典物理規(guī)律是這樣的,近代物理的發(fā)展中也有一些這樣的例子,如粒子物理中的奇異粒子就是年首先在宇宙射線中觀察到的,但在年加速器實驗中產(chǎn)生了奇異粒子之后,經(jīng)過系統(tǒng)地研究才使粒子的奇異特性逐漸明朗,這完全是從實驗規(guī)律總結(jié)出來的。可見在物理學(xué)發(fā)展史上大量的物理規(guī)律是從實驗

5、中總結(jié)概括出來的。物理學(xué)中常常發(fā)生一些以不同的理論解釋同一問題或發(fā)生一些不同意見的爭論,這些爭論常由實驗做出公正的裁決。例如,為了研究物質(zhì)的熱性質(zhì),當(dāng)時在十八世紀(jì)的對熱的本質(zhì)提出了一定的假設(shè),認(rèn)為熱是一種沒有質(zhì)量的流質(zhì)叫熱質(zhì),它可滲入一切物體之中可從一個物體傳到另一個物體,但不可憑空產(chǎn)生和消滅。熱質(zhì)說能成功地解釋有關(guān)熱傳導(dǎo)和量熱學(xué)的一些實驗結(jié)果.但可能說呢聾擦生熱現(xiàn)象，因此它雖然流行，但并沒有得到科學(xué)界的普遍承認(rèn)。用實驗結(jié)果來駁斥熱質(zhì)說的是倫福德，他以制造槍炮所切下的碎屑溫度很高，而且在不斷切削時高溫碎屑不斷產(chǎn)生來說明熱只是一種運動，最終實驗否定了熱質(zhì)說，熱運動理論取得了勝利。又如，在爭論電的

6、本質(zhì)過程中，流動的電荷是什么以及在是否有最小電荷單位等問題上，實驗也給出了判定性的結(jié)論。再如，對光的本質(zhì)認(rèn)識過程中，微粒說和波動說爭論持續(xù)了很大時間，微粒說把光看成由粒子組成，認(rèn)為這些粒子按力學(xué)規(guī)律沿直線運動，因此光具有直線傳播的性質(zhì)，但隨著光學(xué)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)如干涉、衍射等現(xiàn)象又給惠更斯的波動說做了有力的解釋。大量的實驗如:楊氏雙縫干涉、馬呂斯發(fā)現(xiàn)光的偏振，列別捷夫光壓的測定、勞厄的X射線實驗最后以光的波粒二象性結(jié)束了這些爭論。物理實驗為物理學(xué)界的爭論作出了公正的裁決。在物理學(xué)的發(fā)展過程中,常有一種情況就是在實驗事實的基礎(chǔ)上,物理學(xué)家提出了大膽的設(shè)想或理論模型,這些理論的確定還要通過實驗

7、來驗證。麥克斯韋是在大量的實驗基礎(chǔ)上建立了電磁理論中著名的麥克斯韋方程組,從理論上闡明了電磁波與光波有共同的特性,它以光速在空間中傳播。這是一個非常卓越的理論成果,這一理論后來被赫茲等人的電磁波的按收、反射、折射、衍射和偏振等實驗得到證明,才使麥克斯韋的電磁理論得以檢驗。又如,德布羅意提出的物質(zhì)波的段是四年后由戴準(zhǔn)遜、蓋末和湯姆遜等人發(fā)現(xiàn)了電子衍射給予實驗驗證的。再如揚振宇和李政道提出的弱相互作用下宇稱守恒的理論是由吳健雄用鉆一在超低溫下放出的粒子多朝一個方向發(fā)射的實驗來驗證的。物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在,在理論的指導(dǎo)下進行實驗變得更加重要了,物理學(xué)的發(fā)展關(guān)鍵是提高實驗水平,它將推動物理學(xué)向縱深發(fā)展,尖端物理學(xué)之