基础物理实验绪论课20130912
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• “数据越多越糊涂”—北大吴思诚
动手少，动手时动脑少 不敢、不善于提问
• “提出一大堆假设而不去证明，非常糟的 体验”—复旦陈唯教授
• 学问？主动学习不够，思考不够
实验中或实验报告中的问题 没有自己的问题
39
讨论什么？如何讨论？
慕尼黑工业大学—实验课上助教与同学讨论问题
40
努力培养思考、讨论问题的能力
热、电、光及近代物理实验。 • 理科、工科、医科各专业都普
遍要做的物理实验。
3
物理实验做什么
1 力学： 碰撞问题 转动惯量 2 热学： 液氮比汽化热 3 光学： 激光、干涉、衍射、透镜成像 4 电磁学： 圆线圈和亥姆霍兹线圈、 谐振电路、电桥 5 近代前沿：量子论实验、X光实验、磁阻效应 6 现代测量技术：示波器的使用、计算机实测 7 数据处理方法：画图、不确定度评定、最小二乘法 拟合等
绪论
1 物理实验的重要性 2 如何做物理实验 3 基础物理实验课的要求
1
1 物理实验的重要性
(1) 什么是基础物理实验 (2) 物理实验在物理学研究与
发展中的作用 (3) 物理实验对物理学在其他
学科中应用的意义 (4) 改变轻视实践的传统观念
2
(1) 什么是基础物理实验？ • 最基本的物理实验，包括力、
北回归线
的实验（约公
元前300）
取自 马世红老7 师pp
埃拉托色尼测定地球周长的实验 （约公元前300） L = 360 800 / 7.2 千米
取自 马老师p8pt
问题2：当你躺在海滩上看到太阳落下而消失在 平静的海面时，如果紧接着站起来，会再一次看到太 阳落下。假如能测出这两次太阳落下对应的时间间隔， 你就可以估计出地球的半径。
1、打分，讨论课按一次实验来计分。积极提出问 题并能解答别人问题的高分，没有发言的低分。 2、为讨论课准备3分钟的讨论素材，素材内容：
实验中遇到的疑问以及你的理解； 分享你对实验现象的记录及分析的经验； 介绍你在实验操作时遇到的问题，和你的解决方法； 绪论课、绪论作业中遇到的疑难问题以及处理方法； 对改进实验内容和实验仪器的建议； 与基础物理实验课相关的想法和建议。
36
以下情况避免在实验报告中出现(II)
• 有效数字位数随意增减 • 数据处理：没有列出公式，只有数字式子和结果
只有公式和结果 应当 公式 = 数字代入式子 = 结果 • 没有实验结论，以为实验计算结果，就是结论； 没有和实验目的相呼应，去说明获得结果后能得 出什么物理结论，对实验方法的结论，灵敏度提 高的办法
以下情况避免在实验报告中出现(I)
• 实验预习报告没有自己归纳，没有对实验设备、 原理、设备、目的等提出自己的问题；
• 只有预习报告、数据记录 -- 没有数据处理，没有分析，没有讨论；
• 只有答案，没有讨论； • 两人合作实验，讨论一字不差 – 扣分
可以一起讨论，必须独立撰写 • 抄袭数据，自己并没有做出来 –计零分
2.2 实验中—操作与记录
预习时在数据记录框内先画出数据表格
实验记录对：待实验数据必须 必要严的格实、验慎数重据、记准录确表、格、真实实验条件
如温度湿度仪器量程等、清晰且详尽的 记录实数验据数、据观的察记到录的不各准种用与铅预笔想…一…,致或 不一实致验的中实改验过现的象数、据实应验由中老的师问认题可和想 法等；。其余实验数据不准任意修改。
Samuel C.C. Ting The Nobel Prize in Physics 1976
Banquet Speech
Samuel C.C. Ting's speech at the Nobel Banquet, December 10, 1976
English Chinese
From Les Prix Nobel en 1976, Editor Wilhelm Odelberg, [Nobel Foundation], Stockholm, 1977
h = 1.70m,
r 5.22106m, 在公认的地球（平均）半
径（ 6.37106m ）的20％范围之内
Dennis Rawlins, Am. J. Phys. 47(2), 1979, 126-128
取自 马老师10ppt
“怎样使用表和米尺来测量地球的大小”， 《美国物理学杂志》, 47(2) (1979) p.126-128
写出预习报告，没有预习不允许做实验
各项不要全盘抄书； 可提出问题。
2020/1/13
2.1 实验前—预习
画出数据表格
如何做数据表格？
例：测量一个圆柱体样品的密度
• 如何求密度？
M V
4M
D
2
h
• 明确测量量，直接测量量，间接测量量。先测哪 个？后测哪个？多次测量还是单次测量？哪些需 要列在表格里？测量顺序？
• 不许带着别人的实验报告在实验室做实验，一 经发现，该实验作0分处理。
• 如实、清晰、详尽的记录原始数据，不要随意 涂改数据也不要打草稿再誊写上去。
• 按时完成、争取选做。
• 实验完毕，要指导教师确认签字并且整理好实
验仪器方能离开实验室。
28
2.2 实验中—操作与记录
实验仪器的规格型号
2020/1/13
那么，这样的简易观察是 如何能用来测量地球的？
取自 马老师p9pt
d
d 2+ r2 = (r + h)2，式中d = HE
d 2 =2rh + h2， h << r,
d 2 =2rh
/ 360 = t / 24h,
d = r tan ，h << r,
r 2h / tan2 设 t = 11.1s, = 0.04625,
1199
国王，王后陛下，皇族们，各位朋友：
得到诺贝尔奖，是科学家最大的荣誉。我是在旧 中国长大的，因此，想借这个机会向发展中国家的 青年们强调实验工作的重要性。
中国有句话‘劳心者治人，劳力者治于人’，这 种落后的思想对发展中国家的青年们有很大的害处。 由于这种思想，很多发展中国家的学生都倾向于理 论的研究，而避免实验工作。
• 物理量名称、单位
2020/1/13
如何做数据表格？ 例：测量一个圆柱体样品的密度
样品的质量M =
g。
样品的密度
4M
D2h
室温T = ℃；湿度 = %。
27
2.2 实验中—操作与记录
• 迟到扣0.5分，迟到30分钟以上
则不允许做实验，该次实验成绩为0分。
• 遵守各项制度和学生守则，注意安全。
事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特 别是物理学更是从实验中产生的。
我希望由于我这次得奖，能够唤起发展中国家学 生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。
2200
Interest is the best teacher. Imagination is more
important than knowledge. -- A. Einstein
41
目前的做法
第1周
绪论
第2周
数据处理
第3 - 5周 第1循环实验
第6、7周 第2循环实验
第8、9周 第3循环实验
第10周
讨论课
讨论课：
3学时 已做过的6个实验 3个实验室各讨论45分钟
13
结论：物理学是一门实验科
学。在物理学的发展过程中， 实验是决定性的因素。发现新 的物理现象，寻找物理规律， 验证物理定律等等，都只能依 靠实验。离开了实验，物理理 论就会成为“无源之水，无本 之木”，不可能得到发展。
14
(3) 物理实验对物理学 在其他学科中应用的意义
• 材料：物性测试、新材料的发现、制备 • 化学：光谱分析、放射性测量、激光分离同位素 • 生物：各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、X光显微
2 如何做物理实验
2.1 实验前—预习（２分）
如何写预习报告？
2.2 实验中—操作与记录（４分）
如何做实验记录
2.3 实验后—数据处理与实验分析（４分）
如何写实验报告？
22
23
2.1 实验前—预习
写出预习报告，没有预习不允许做实验
要写出公式成立的条件及公式中各符号的物理含义
2020/1/13
2.1 实验前—预习
“儒家相信宇宙的道德秩序(‘天’)”， “他们使用‘道’一词，主要的——如果不是 唯一的——是指人类社会里的理想道路或秩序。 这在他们对待精神世界和知识的态度上表现得 很明显。他们固然没有把个人与社会人分开， 也没有把社会人与整个自然界分开，可是他们 向来主张，研究人类的唯一适当对象就是人本 身。因此，在整个中国历史上，儒家反对对自 然进行科学的探索，并反对对技术做科学的解 释和推广。”
12
杨振宁：“象我这样有了一点名气的 人也有不好的影响。在国内有许多青 年人都希望搞我这一行（指搞理论）， 但是，象我这样的人，中国目前不是 急需。要增加中国的社会生产力需要 的是很多会动手的人。”
丁肇中：“我是一个做实验的工程师。 希望通过我的得奖，能提高中国人对 实验的认识。没有实验就没有现代科 学技术。”
1. 用单电子做的杨氏双缝干涉实验（1961） 2. 伽利略的落体实验（1600左右） 3. 密立根油滴实验（1909） 4. 牛顿用棱镜将日光分解为七色的实验（1665—1666） 5. 杨氏用光作的干涉实验（1801） 6. 卡文迪许用扭秤测定万有引力常数的实验（1798） 7. 埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300） 8. 伽利略的斜面实验（1600左右）
37
基础物理实验课总体安排
• 第1周：讲课—绪论 • 第2周：讲课—数据处理 • 第3－9周：3组实验 • 第10周：讨论课 • 第11－16周：3组实验 • 第17周：答疑、考试（笔试） • 更多的信息请登陆本实验中心网站：
2020/1/13
为什么要设讨论课？
取自 马老师11 ppt
物理学家看物理实验的重要性
牛顿：“探求事物属性的准确方法是 从实验中把他们推导出来。……考察 我的理论的方法就在于考虑我所提出 的实验是否确实证明了这个理论；或 者提出新的实验去验证这个理论。”
叶企孙：“对于象李政道这样优秀的 学生，理论课可以免上，只参加考试； 但实验不能免，每个必做。”
9. 卢瑟福用 粒子散射发现原子核的实验（1911）
10. 复科摆的实验（1851）
/Physics/English/top10.htm
6
亚历山大城和塞恩城 问题：
亚历山大城
给你一根直
杆，你能否
测出地球的
周长？
塞恩城
埃拉托色尼
测定地球周长
-李约瑟《中国科学技术史,V.2, 科学思想史》P8， 转引自清华大学基础物理实验A137
社会上轻视实践现象----根深蒂固
《论语》：樊迟请学稼，子曰： 吾不如老农。请学为圃，曰：吾 不如老圃。樊迟出。子曰：小人 哉，樊须也！
物理学以实验为本，但要重视实验课程 学习与科学实验训练，就如逆水行舟。
18
镜、原子力显微镜），DNA操纵、切割、重组以及双螺旋 结构的分析
• 医学：诊断――X光、CT、核磁共振、超声波
治疗――放射性、激光、微波、γ刀
结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁
15
(4) 改变轻视实践的传统观念
李约瑟之迷 为什么资本主义和现代 科学起源于西欧而不是 中国或其他文明？
16
解答“李约瑟之迷”：
2020/1/13
2.2 实验中—操作与记录
• 如何使用仪器仪表？
数字电流表测量 某一电路中的电流
左端读数为：10.00cm 右端读数为：15.25cm 估读、有效数字、单位
对于数字仪表该如何读数？
31
2.3 实验后—实验报告
数据处理： 有效数字、单位、计算过程、不确定度评定、 作图、最小二乘法 解释分析实验中看到的现象 针对实验中的问题和想法的分析讨论
2020/1/13
2.3 实验后—实验报告
如何做数据处理？（第2周详细讨论） （1）有效数字 （2）不确定度评定 （3）最小二乘法 （4）作图 （课本第10-19页，补充教材第3-6页）
33
2.3 实验后—实验报告
2020/1/13
2.3 实验后—实验报告
交取实验报告的时间
完成实验后48小时内将报告交至指定信箱，下次实验时取 报告。
4
(2) 物理实验在物理学研究与发展中的 作用
从物理学史看物理实验的重要性
• 经典物理学的建立：
力学（伽里略） 电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦） 光学（杨氏、菲涅耳）
• 近代物理学的建立：
三大发现（X光、放射性、电子） ——从宏观到微观
两朵乌云（黑体辐射、迈克耳逊－莫雷实验） ——从经典到近代
5
最美的十大物理实验
动手少，动手时动脑少 不敢、不善于提问
• “提出一大堆假设而不去证明，非常糟的 体验”—复旦陈唯教授
• 学问？主动学习不够，思考不够
实验中或实验报告中的问题 没有自己的问题
39
讨论什么？如何讨论？
慕尼黑工业大学—实验课上助教与同学讨论问题
40
努力培养思考、讨论问题的能力
热、电、光及近代物理实验。 • 理科、工科、医科各专业都普
遍要做的物理实验。
3
物理实验做什么
1 力学： 碰撞问题 转动惯量 2 热学： 液氮比汽化热 3 光学： 激光、干涉、衍射、透镜成像 4 电磁学： 圆线圈和亥姆霍兹线圈、 谐振电路、电桥 5 近代前沿：量子论实验、X光实验、磁阻效应 6 现代测量技术：示波器的使用、计算机实测 7 数据处理方法：画图、不确定度评定、最小二乘法 拟合等
绪论
1 物理实验的重要性 2 如何做物理实验 3 基础物理实验课的要求
1
1 物理实验的重要性
(1) 什么是基础物理实验 (2) 物理实验在物理学研究与
发展中的作用 (3) 物理实验对物理学在其他
学科中应用的意义 (4) 改变轻视实践的传统观念
2
(1) 什么是基础物理实验？ • 最基本的物理实验，包括力、
北回归线
的实验（约公
元前300）
取自 马世红老7 师pp
埃拉托色尼测定地球周长的实验 （约公元前300） L = 360 800 / 7.2 千米
取自 马老师p8pt
问题2：当你躺在海滩上看到太阳落下而消失在 平静的海面时，如果紧接着站起来，会再一次看到太 阳落下。假如能测出这两次太阳落下对应的时间间隔， 你就可以估计出地球的半径。
1、打分，讨论课按一次实验来计分。积极提出问 题并能解答别人问题的高分，没有发言的低分。 2、为讨论课准备3分钟的讨论素材，素材内容：
实验中遇到的疑问以及你的理解； 分享你对实验现象的记录及分析的经验； 介绍你在实验操作时遇到的问题，和你的解决方法； 绪论课、绪论作业中遇到的疑难问题以及处理方法； 对改进实验内容和实验仪器的建议； 与基础物理实验课相关的想法和建议。
36
以下情况避免在实验报告中出现(II)
• 有效数字位数随意增减 • 数据处理：没有列出公式，只有数字式子和结果
只有公式和结果 应当 公式 = 数字代入式子 = 结果 • 没有实验结论，以为实验计算结果，就是结论； 没有和实验目的相呼应，去说明获得结果后能得 出什么物理结论，对实验方法的结论，灵敏度提 高的办法
以下情况避免在实验报告中出现(I)
• 实验预习报告没有自己归纳，没有对实验设备、 原理、设备、目的等提出自己的问题；
• 只有预习报告、数据记录 -- 没有数据处理，没有分析，没有讨论；
• 只有答案，没有讨论； • 两人合作实验，讨论一字不差 – 扣分
可以一起讨论，必须独立撰写 • 抄袭数据，自己并没有做出来 –计零分
2.2 实验中—操作与记录
预习时在数据记录框内先画出数据表格
实验记录对：待实验数据必须 必要严的格实、验慎数重据、记准录确表、格、真实实验条件
如温度湿度仪器量程等、清晰且详尽的 记录实数验据数、据观的察记到录的不各准种用与铅预笔想…一…,致或 不一实致验的中实改验过现的象数、据实应验由中老的师问认题可和想 法等；。其余实验数据不准任意修改。
Samuel C.C. Ting The Nobel Prize in Physics 1976
Banquet Speech
Samuel C.C. Ting's speech at the Nobel Banquet, December 10, 1976
English Chinese
From Les Prix Nobel en 1976, Editor Wilhelm Odelberg, [Nobel Foundation], Stockholm, 1977
h = 1.70m,
r 5.22106m, 在公认的地球（平均）半
径（ 6.37106m ）的20％范围之内
Dennis Rawlins, Am. J. Phys. 47(2), 1979, 126-128
取自 马老师10ppt
“怎样使用表和米尺来测量地球的大小”， 《美国物理学杂志》, 47(2) (1979) p.126-128
写出预习报告，没有预习不允许做实验
各项不要全盘抄书； 可提出问题。
2020/1/13
2.1 实验前—预习
画出数据表格
如何做数据表格？
例：测量一个圆柱体样品的密度
• 如何求密度？
M V
4M
D
2
h
• 明确测量量，直接测量量，间接测量量。先测哪 个？后测哪个？多次测量还是单次测量？哪些需 要列在表格里？测量顺序？
• 不许带着别人的实验报告在实验室做实验，一 经发现，该实验作0分处理。
• 如实、清晰、详尽的记录原始数据，不要随意 涂改数据也不要打草稿再誊写上去。
• 按时完成、争取选做。
• 实验完毕，要指导教师确认签字并且整理好实
验仪器方能离开实验室。
28
2.2 实验中—操作与记录
实验仪器的规格型号
2020/1/13
那么，这样的简易观察是 如何能用来测量地球的？
取自 马老师p9pt
d
d 2+ r2 = (r + h)2，式中d = HE
d 2 =2rh + h2， h << r,
d 2 =2rh
/ 360 = t / 24h,
d = r tan ，h << r,
r 2h / tan2 设 t = 11.1s, = 0.04625,
1199
国王，王后陛下，皇族们，各位朋友：
得到诺贝尔奖，是科学家最大的荣誉。我是在旧 中国长大的，因此，想借这个机会向发展中国家的 青年们强调实验工作的重要性。
中国有句话‘劳心者治人，劳力者治于人’，这 种落后的思想对发展中国家的青年们有很大的害处。 由于这种思想，很多发展中国家的学生都倾向于理 论的研究，而避免实验工作。
• 物理量名称、单位
2020/1/13
如何做数据表格？ 例：测量一个圆柱体样品的密度
样品的质量M =
g。
样品的密度
4M
D2h
室温T = ℃；湿度 = %。
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2.2 实验中—操作与记录
• 迟到扣0.5分，迟到30分钟以上
则不允许做实验，该次实验成绩为0分。
• 遵守各项制度和学生守则，注意安全。
事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特 别是物理学更是从实验中产生的。
我希望由于我这次得奖，能够唤起发展中国家学 生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。
2200
Interest is the best teacher. Imagination is more
important than knowledge. -- A. Einstein
41
目前的做法
第1周
绪论
第2周
数据处理
第3 - 5周 第1循环实验
第6、7周 第2循环实验
第8、9周 第3循环实验
第10周
讨论课
讨论课：
3学时 已做过的6个实验 3个实验室各讨论45分钟
13
结论：物理学是一门实验科
学。在物理学的发展过程中， 实验是决定性的因素。发现新 的物理现象，寻找物理规律， 验证物理定律等等，都只能依 靠实验。离开了实验，物理理 论就会成为“无源之水，无本 之木”，不可能得到发展。
14
(3) 物理实验对物理学 在其他学科中应用的意义
• 材料：物性测试、新材料的发现、制备 • 化学：光谱分析、放射性测量、激光分离同位素 • 生物：各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、X光显微
2 如何做物理实验
2.1 实验前—预习（２分）
如何写预习报告？
2.2 实验中—操作与记录（４分）
如何做实验记录
2.3 实验后—数据处理与实验分析（４分）
如何写实验报告？
22
23
2.1 实验前—预习
写出预习报告，没有预习不允许做实验
要写出公式成立的条件及公式中各符号的物理含义
2020/1/13
2.1 实验前—预习
“儒家相信宇宙的道德秩序(‘天’)”， “他们使用‘道’一词，主要的——如果不是 唯一的——是指人类社会里的理想道路或秩序。 这在他们对待精神世界和知识的态度上表现得 很明显。他们固然没有把个人与社会人分开， 也没有把社会人与整个自然界分开，可是他们 向来主张，研究人类的唯一适当对象就是人本 身。因此，在整个中国历史上，儒家反对对自 然进行科学的探索，并反对对技术做科学的解 释和推广。”
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杨振宁：“象我这样有了一点名气的 人也有不好的影响。在国内有许多青 年人都希望搞我这一行（指搞理论）， 但是，象我这样的人，中国目前不是 急需。要增加中国的社会生产力需要 的是很多会动手的人。”
丁肇中：“我是一个做实验的工程师。 希望通过我的得奖，能提高中国人对 实验的认识。没有实验就没有现代科 学技术。”
1. 用单电子做的杨氏双缝干涉实验（1961） 2. 伽利略的落体实验（1600左右） 3. 密立根油滴实验（1909） 4. 牛顿用棱镜将日光分解为七色的实验（1665—1666） 5. 杨氏用光作的干涉实验（1801） 6. 卡文迪许用扭秤测定万有引力常数的实验（1798） 7. 埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300） 8. 伽利略的斜面实验（1600左右）
37
基础物理实验课总体安排
• 第1周：讲课—绪论 • 第2周：讲课—数据处理 • 第3－9周：3组实验 • 第10周：讨论课 • 第11－16周：3组实验 • 第17周：答疑、考试（笔试） • 更多的信息请登陆本实验中心网站：
2020/1/13
为什么要设讨论课？
取自 马老师11 ppt
物理学家看物理实验的重要性
牛顿：“探求事物属性的准确方法是 从实验中把他们推导出来。……考察 我的理论的方法就在于考虑我所提出 的实验是否确实证明了这个理论；或 者提出新的实验去验证这个理论。”
叶企孙：“对于象李政道这样优秀的 学生，理论课可以免上，只参加考试； 但实验不能免，每个必做。”
9. 卢瑟福用 粒子散射发现原子核的实验（1911）
10. 复科摆的实验（1851）
/Physics/English/top10.htm
6
亚历山大城和塞恩城 问题：
亚历山大城
给你一根直
杆，你能否
测出地球的
周长？
塞恩城
埃拉托色尼
测定地球周长
-李约瑟《中国科学技术史,V.2, 科学思想史》P8， 转引自清华大学基础物理实验A137
社会上轻视实践现象----根深蒂固
《论语》：樊迟请学稼，子曰： 吾不如老农。请学为圃，曰：吾 不如老圃。樊迟出。子曰：小人 哉，樊须也！
物理学以实验为本，但要重视实验课程 学习与科学实验训练，就如逆水行舟。
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镜、原子力显微镜），DNA操纵、切割、重组以及双螺旋 结构的分析
• 医学：诊断――X光、CT、核磁共振、超声波
治疗――放射性、激光、微波、γ刀
结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁
15
(4) 改变轻视实践的传统观念
李约瑟之迷 为什么资本主义和现代 科学起源于西欧而不是 中国或其他文明？
16
解答“李约瑟之迷”：
2020/1/13
2.2 实验中—操作与记录
• 如何使用仪器仪表？
数字电流表测量 某一电路中的电流
左端读数为：10.00cm 右端读数为：15.25cm 估读、有效数字、单位
对于数字仪表该如何读数？
31
2.3 实验后—实验报告
数据处理： 有效数字、单位、计算过程、不确定度评定、 作图、最小二乘法 解释分析实验中看到的现象 针对实验中的问题和想法的分析讨论
2020/1/13
2.3 实验后—实验报告
如何做数据处理？（第2周详细讨论） （1）有效数字 （2）不确定度评定 （3）最小二乘法 （4）作图 （课本第10-19页，补充教材第3-6页）
33
2.3 实验后—实验报告
2020/1/13
2.3 实验后—实验报告
交取实验报告的时间
完成实验后48小时内将报告交至指定信箱，下次实验时取 报告。
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(2) 物理实验在物理学研究与发展中的 作用
从物理学史看物理实验的重要性
• 经典物理学的建立：
力学（伽里略） 电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦） 光学（杨氏、菲涅耳）
• 近代物理学的建立：
三大发现（X光、放射性、电子） ——从宏观到微观
两朵乌云（黑体辐射、迈克耳逊－莫雷实验） ——从经典到近代
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最美的十大物理实验