物理学的实验美

物理学的实验美

1.前言

2005年9月份出版的《物理学世界》刊登了选出的排名前10位的最美丽实验，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。令人惊奇的是这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成，最多有一两个助手。所有的实验都是在实验桌上进行的，没有用到什么大型计算工具比如电脑一类，最多不过是把直尺或者是计算器。

所有这些实验共同之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂，这种美丽是一种经典概念：最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界的认识更加清晰。

从十大经典科学实验评选本身，我们也能清楚地看出2000年来科学家们最重大的发现轨迹，就像我们“鸟瞰”历史一样。

本研究性学习探究其中的5篇实验。

一.双缝实验

1.起源

托马斯•杨（Thomas Young，1773—1829）

于1801年进行了一次光的干涉实验，即著名的杨氏双孔干涉实验，并首次肯定了光的波动性。随后在他的论文中以干涉原理为基础，建立了新的波动理论，并成功解释了牛顿环，精确测定了波长。

1803年，杨把干涉原理用以解释衍射现象。

1807年，杨发表了《自然哲学与机械学讲义》（A course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts），书中综合整理了他在光学方面的理论与实验方面的研究，

并描述了双缝干涉实验，后来的历史证明，这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列。但是他认为光是在以太媒质中传播的纵波。这与光的偏振现象产生了矛盾，然而杨并未放弃光的波动说。

杨的著作点燃了革命的导火索，光的波动说在经过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不好过，在微粒说仍然一统天下的年代，杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”。在近20年间竟然无人问津，杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表，只好印成小册子。但是据说发行后“只卖出了一本”。

1818年菲涅耳（Augustan Fresnel，1788—1827）在巴黎科学院举行的一次以解释衍射现象为内容的科学竞赛中以光的干涉原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯-菲涅耳原理，完善了光的衍射理论并获得优胜。早于1817年在面对波动说与光的偏振现象的矛盾时，杨觉察到如果光是横波或许问题可以得到解决，并把这一想法写信告诉了阿拉果（D.F.Arago，1786—1853），阿拉果立即把这一思想转告给了菲涅耳。于是当时已独自领悟到这一点的菲涅耳立即用这一假设解释了偏振现象，证明了光的横波特性，使得光的波动说进入一个新的时期。

2.实验方法

做本实验用的全部装置如图所示，在可旋转式光具座导轨1的一端用滑块固定光源2，光源灯泡由J1201型低压电源的交流输出供电，3是光源用单缝，缝宽0.11mm，光具架4

装在另一滑块上，4中间安装双缝5，缝宽0.016～0．020mm，缝距0.080mm，导轨另一端用长滑块固定。

6是观察筒。各光具的光轴要和导轨平行并大致共轴．光源灯泡是“12V 50W”卤钨灯，为了延长它的寿命，开始先用6V点亮，避免很大的冲击电流，然后根据实验所需的亮度逐渐升高电压，但不得超过12V

实验前的调整：只装上光源2，在导轨另一端装毛玻璃屏，转动光源，使射出的光束在屏的中央形成光斑．再装上光源单缝、光具架和双缝，单缝取竖直方向，双缝外环上的指示线对准光具架上的零刻线，双缝距离单缝5～10cm．此时顺着光的传播方向看，通过单缝的

光形成的窄条形光斑应恰好落在双缝上，如偏斜则应转动光源和单缝使之对准．即单缝与双缝平行．再取下毛玻璃屏．装上观察筒，对准光具架稍加转动，就能由大透镜看到筒内毛玻璃屏上呈现不少于5条的彩色干涉条纹．观察筒入光口装有可平移的方形光栏，用以挡住环境中的杂散光的干扰，使视场中的干涉条纹清晰可见．如果干涉条纹形状不好或不出现条纹，可能是单缝与双缝不平行，再仔细调节即可．在光源上加滤色片，可看到近乎单色的明暗相间的干涉条纹，还可加不同颜色的玻璃，看到的干涉条纹间距离不同．使光源适当靠近双缝可增加干涉明条纹的亮度，使明暗条纹反差增大．使观察筒离双缝远些，干涉条纹间距离变大，但亮度要减弱．

这个实验在不太亮的教室中就能进行，转动光具座导轨，让全班学生在座位上轮流观察。

3.原理

两个相干光源干涉会产生干涉条纹，例如杨氏干涉两相邻直条纹的间距为△x=λl/d，其中d为两个狭缝中心的间距，λ是单色光波波长，ι是双缝屏到和它平行的考察屏的距离。菲涅耳（Fresnel）双棱镜以折射的方式分割由S发出的波阵面，其本质就是一个变样的杨氏双缝干涉，工作原理和杨氏双缝干涉一样。

4.内容步骤

光路调节

⑴将单色光源M、会聚透镜L、狭缝S、双棱镜AB与测微目镜P，按图16－2所示次

序放置在光具座上，用目视粗略地调整它们中心等高、共轴，并使双棱镜的底面与系统的光轴垂直，棱脊和狭缝的取向大体平行。

⑵点亮光源M，通过透镜照亮狭缝S，用手执白纸屏在双棱镜后面检查；

干涉条纹

⑴减小狭缝宽度（以提高光源的空间相干性），一般情况下可从测微目镜观察到不太清晰的干涉条纹。

⑵绕系统光轴缓慢地向左或右旋转双棱镜B，当转到双棱镜脊与狭缝的取向严格平行时，显现出清晰的干涉条纹。

⑶为便于测量，在看到清晰的干涉条纹后，应将双棱镜或测微目镜前后移动，使干涉条纹的宽度适当，同时只要不影响条纹的清晰度，可适当增加缝宽，以保持干涉条纹有足够的亮度。

测量

在双棱镜和目镜之间插放凸透镜L，并调节L的位置和目镜的位置，

使得从目镜里能看到清晰的双缝象。当这个象和分划版上的叉丝之间无视差时，用测微目镜量出双缝象的间距do′再量出成象时的物距u（即狭缝S到透镜L的距离）和象距v （即透镜L到分划版之间的距离），即可根据d=d’u/v算出两个虚光源S1、S2的间距d。最后，可以根据DX、ι和d算得准单色光源的波长λ。

5.自己的感受

研究了托马斯杨的双缝干涉实验，我明白了物理要有探索精神，探索需要毅力、恒心和吃苦的精神，探索要有明确的方向、正确的方法，怀疑是探索的源泉，不满足是探索的动力。人类对未知的探索是永恒的。我们还要学习他们的钻研精神，这源于对他们科学的热带，对探索世界的渴望。因为在物欲横流的时代，人人急功近利，踏踏实实做学问的人太少了。我以后要学习他们的精神，好好学习，争取做和他们一样伟大的人!