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

2、造世界的任務(wù), 但目的并不相同。 伽利略的單擺實驗和斜面實驗為研究力學(xué)規(guī)律提供了重要依據(jù); 庫侖通過滑板實驗提出摩擦定律; 胡克的彈性實驗、玻意耳的空氣壓縮實驗、波雷里的表面張力實驗為物理學(xué)提供了新事實和新規(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), 著名的物理實驗不勝枚舉, 從事實驗工作的物理學(xué)家何止成千上萬。他們置身于艱苦的實驗研究之中, 為推動物理學(xué)的發(fā)展努力奮斗。他們的目標(biāo)是什么? 對物理學(xué)的發(fā)展起了什么樣的推動作用?縱觀物理學(xué)三百余年的發(fā)展史, 可以概括成如下幾個方面: 一、發(fā)現(xiàn)新事實一、發(fā)現(xiàn)新事實, , 探索新規(guī)律探索新規(guī)律 力學(xué) 庫侖定律的驗證、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, 無一不是通過大量實驗得出的。電學(xué) 光的干涉、衍射、偏振以及雙折射等現(xiàn)象也都是首先在實驗中發(fā)現(xiàn)的, 這些實驗說明了光的波動性; 從色散的研究到光譜學(xué)的發(fā)展, 實驗更是基本的認(rèn)識途徑, 正是這一系列研究把人們帶進了原子領(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)測得再準(zhǔn)些, 向小數(shù)點后面推進而已。然而, 正是實驗的新發(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)開拓了新的領(lǐng)域, 把物理學(xué)推進到一個新階段。 物理學(xué)有許多分支, 匯合起來組成物理學(xué)的主干, 每個分

4、支在其發(fā)展之初, 都有大量的實驗為之奠基, 各分支在其發(fā)展的各個階段大多有新的實驗補充新的事實, 從而使各分支更加充實, 更加全面。這一切說明了: 實驗, 只有實驗, 才是物理學(xué)的基礎(chǔ)。 二、檢驗理論二、檢驗理論, , 判定理論的適用范圍判定理論的適用范圍例如例如: : 麥克斯韋的電磁場理論以一組簡潔的數(shù)學(xué)方程概括得十分優(yōu)美對稱, 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驗證實, 他的學(xué)說才成為舉世公認(rèn)的電磁理論基礎(chǔ)。1905年, 愛因斯坦用光電子假說總結(jié)了光的微粒說和波動說之間長期的爭論,能很好地解釋勒納德的光電效應(yīng)實驗結(jié)果但是直到1916年,當(dāng)密立根以極其嚴(yán)密的實驗全面

5、地證實了愛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)波假說也是在實驗發(fā)現(xiàn)電子衍射之后才得到肯定。從諾貝爾物理獎的頒發(fā)可以看到人們對實驗檢驗的評價從諾貝爾物理獎的頒發(fā)可以看到人們對實驗檢驗的評價表 14-1 諾貝爾物理獎頒獎年代獲獎?wù)呒捌浍@獎內(nèi)容主要工作年代實驗檢驗?zāi)甏@獎年代愛因斯坦光電子理論190519161921德布羅意物質(zhì)波理論192319271929湯川秀樹介子理論193519471949李政道楊振寧宇稱不守恒原理195619561957溫伯格-薩拉姆-格拉肖弱電統(tǒng)一理論1967-19681973-19781979 實踐是檢驗理論的客觀標(biāo)準(zhǔn)。從表 14-1

6、 可以看出, 一個理論的正確性, 不僅在于它能說明多少現(xiàn)象, 也不僅在于它的自洽性,更重要的是它能否得到實驗的肯定, 它所作的預(yù)言, 被爾后的實驗證實到什么程度。 理論只有一定的適用范圍,這個范圍往往要靠實驗來確定。理論與實驗是物理學(xué)的兩大部分, 相輔相成, 缺一不可。三、測定常數(shù)三、測定常數(shù)例如: 萬有引力常數(shù)的數(shù)值, 自牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律以來, 一直是人們力求測出和測準(zhǔn)的對象；光速是測得最準(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)這個理論比較不同渠道得到的里德伯常數(shù), 在實驗誤差范圍內(nèi)基本相符, 說明了理論的自洽性。 四

7、、推廣應(yīng)用四、推廣應(yīng)用, , 開拓新領(lǐng)域開拓新領(lǐng)域n 不論是蒸汽技術(shù)還是電工技術(shù)都離不開實驗,其中包括許多熱學(xué)實驗、物性學(xué)實驗和電磁學(xué)實驗。各種發(fā)明創(chuàng)造, 諸如杜瓦瓶、致冷機、電燈、電報等等, 無不是經(jīng)過大量實驗研究才逐漸完善的。n 進入二十世紀(jì), 無線電電子學(xué)異軍突起。從電子管到晶體管,從無線電報到雷達, 科學(xué)理論通過實驗這一中間環(huán)節(jié), 不斷起著改造世界的作用, 包括補充和改造科學(xué)理論自身。n 在物理學(xué)工作者中,從事實驗的有90%以上。他們工作各個方面,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,無不凝聚了實驗物理學(xué)家的心血。實驗室在物理學(xué)發(fā)展中的地位n 最早的物

8、理實驗往往是在私人住宅中進行的, 研究者經(jīng)常把自己的住房的一部分當(dāng)作科學(xué)研究的場所。實驗室的早期歷史n 實驗室作為一個進行實驗的專門場所或建筑物, 并不是最先從物理學(xué)開始的。化學(xué)實驗室和天文學(xué)觀測站比物理實驗室早得多。n 近代化學(xué)的奠基人很重視實驗室的建設(shè)。俄國的羅蒙諾索夫說服了俄國科學(xué)院在彼得堡于 1748 年建立了一所裝備精良的實驗室。著名化學(xué)家拉瓦錫( lavoisier) 于17761792 年在巴黎兵工廠建立的實驗室裝備優(yōu)良, 對科學(xué)界影響較大。n 英國另一所著名的實驗基地叫英國皇家研究所,原來也是化學(xué)實驗室, 由倫福德創(chuàng)建于1800年,其宗旨是進行科學(xué)知識的普及。眾所周知,在這個研

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)的物理實驗室n 19 世紀(jì)初, 法國是實驗研究的中心例如: 以精密量計著稱的法國工藝學(xué)院( cnam) 開始是博物館之類的場所, 1829 年建成實驗室。最早的規(guī)模較大的物理實驗室要算柏林大學(xué)的物理實驗室了。它是由馬格努斯(h. g. magnus, 18021870) 創(chuàng)建的,由于規(guī)模逐漸擴大, 柏林大學(xué)給予適當(dāng)?shù)呢斦Y助, 這所私人實驗室轉(zhuǎn)變成大學(xué)機構(gòu)的一部分, 1863 年正式成為柏林大學(xué)物理實驗室, 是當(dāng)時世界上屈指可數(shù)的一所正規(guī)物理實驗，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)物理實驗室的成功經(jīng)驗吸引了英國同行的注意, 也開始按德國的模式建立實驗室。1846 年, 開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實驗室, 。到 1866 年, 這所實驗室才正式被大學(xué)承認(rèn)。英國當(dāng)時還有幾所大學(xué)建立了物理實驗室, 但未納入正規(guī)的物理課程, 也沒有規(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) 實驗室, 劍橋大學(xué)建立了卡文迪什實驗室。這兩所實驗室在世界上都很有名, 其中尤以卡文迪什實驗室的影響最大。物理實驗室的典范卡文迪什實驗室n 在現(xiàn)化物理學(xué)的發(fā)展中, 實驗室的建設(shè)更具有重

11、要意義?？ㄎ牡鲜矊嶒炇易鳛?20 世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)源地之一, 它的經(jīng)驗具有特殊的意義。n 卡文迪什實驗室相當(dāng)于英國劍橋大學(xué)的物理系。劍橋大學(xué)建于1209 年, 歷史悠久,與牛津大學(xué)遙相對應(yīng)。卡文迪什實驗室創(chuàng)建于1871 年,1874年建成,是當(dāng)時劍橋大學(xué)校長w.卡文迪什(william cavendish) 私人捐款興建的(他是 h. 卡文迪什的近親),這個實驗室就取名為卡文迪什實驗室?？ㄎ牡鲜矊嶒炇彝饩霸缙诘目ㄎ牡鲜矊嶒炇业谝蝗螌嶒炇抑魅危?麥克斯韋（1874-1879）第二任實驗室主任： 瑞利勛爵（1842-1919）第三任實驗室主任： j.j.湯姆孫爵士（1856-1940）第四任實驗室主任： 盧瑟福（1919-1937）第五任實驗室主任： 勞倫斯.布拉格（1938-1953）第六任實驗室主任： 勞倫斯.布拉格（1954-1970）第七任實驗室主任： 皮帕德（1971-1982）20世紀(jì)世界著名實驗室實例進入二十世紀(jì), 各類物理實驗室如雨后春筍, 研究工作廣泛開展。下面選取若干有代表性的, 對科學(xué)發(fā)展起過或正在起重要作用的物理實驗室, 分別作些介紹。第一類是建立在大學(xué)里面, 附屬于大學(xué)的實驗室。例如: 一、荷蘭的萊頓低溫實驗室 二、美國加州大學(xué)伯克利分校的勞倫斯輻射實驗室第三類實驗室直接歸屬于工業(yè)企業(yè)部門, 為工業(yè)技術(shù)的開發(fā)與研究服務(wù)。其中