物理学之美

十大最美物理实验 2.自由落体实验
1590年，为证实重的 物体与轻的物体下落得一 样快，伽利略在意大利佛 罗伦萨做了著名的比萨斜 塔实验。众多市民在围观 时惊讶得发现原来轻重球 居然下落得一样快，一举 推翻了亚里士多德统治了 近2000年的观点。开启 了应用物理实验探索物理 规律的新纪元，揭开了近 代物理学的序幕。
物理学之统一美
• 力学理论——牛顿运动三定律、万有引力定律 • 热力学理论——热力学四定律、能量守恒定律 • 电磁学理论——法拉第电磁感应定律、麦克斯韦电 磁学方程 • 量子力学——薛定谔方程、玻尔原子结构模型等 • 相对论——爱因斯坦狭义、广义相对论 • 相互作用、统一场理论的研究
物理学之简洁美
物理学之美
寿宁一中物理组 刘祖鸿
引
言
谈到美，联想到自然美和艺术美，而对科学 美，大多数人则不易感受到，这是因为科学美与 艺术美是两种不同形式的美，从美学的角度来讲， 一种是事物外在形式所呈现的美，如自然景色的 美，音乐的美，雕塑的美，绘画的美，建筑物的 美等。另一种是事物内在结构的和谐、秩序而具 有的美，这种美比较抽象，是要经过大脑整理、 加工形成美的意识或美的观点。这是一种较高层 次上的审美。
十大最美物理实验 6.卡文迪许扭秤实验
18世纪末，英国科学家 亨利· 卡文迪许扭秤实验：他 将两边系有小金属球的6英尺 木棒用金属线悬吊起来，这 个木棒就像哑铃一样。再将 两个350磅重的铅球放在相当 近的地方，以产生足够的引 力让哑铃转动，并扭转金属 线。然后用自制的仪器测量 出微小的转动。测量结果惊 人的准确，他测出了万有引 力恒量的参数，在此基础 上 卡文迪许计算地球的密度和 质量。卡文迪许的计算结果 是：地球重6.0×1024kg．
十大最美物理实验 4.牛顿的棱镜分解太阳光
当时大家都认为白光是一 种纯的没有其他颜色的光（亚 里士多德就是这样认为的）， 而彩色光是一种不知何故发生 变化的光。牛顿把一面三棱镜 放在阳光下，透过三棱镜，光 在墙上被分解为不同颜色，后 来我们称作为光谱。牛顿的结 论是：正是这些红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫基础色有不同 的色谱才形成了颜色单一的白 色光
• 在各种天文卫星中，最重要、名声最大、影响最 大的当属美国的哈勃太空望远镜。 • 1990年4月24日， “发现”号航天飞机将哈勃太 空望远镜发射升空，进入610千米高的地球轨道。 • “哈勃”望远镜取得了丰硕的科学成果。全世界 20多个国家有2000多名科学家利用它进行了10余 万多次科学观测，并在分析的基础上撰写了数千 篇论文。
十大最美物理实验 5.托马斯· 杨的光干涉实验
1830年，英国医生、物 理学家托马斯· 杨，进行了光 干涉实验。他在百叶窗上开 了一个小洞，然后用厚纸片 盖住，再在纸片上戳一个很 小的洞。让光线透过，并用 一面镜子反射透过的光线。 然后他用一个厚约1／30英寸 的纸片把这束光从中间分成 两束。结果看到了相交的光 线和阴影。这说明两束光线 可以像波一样相互干涉。这 个实验为一个世纪后量子学 说的创立起到了至关重要的 作用。
十大最美物理实验 3.罗伯特· 密立根的油滴实验
密立根用一个香水瓶的喷 头向一个透明的小盒子里喷 油滴。小盒子的顶部和底部 分别连接一个电池，让一边 成为正电板，另一边成为负 电板。当小油滴通过空气时， 就会吸一些静电，油滴运动 的速度可以通过改变电板间 的电压来控制。密立根不断 改变电压，仔细观察每一颗 油滴的运动。经过反复试验， 米利肯得出结论：电荷的值 是某个固定的常量，最小单 位就是单个电子的带电量。
十大最美物理实验
10.米歇尔· 傅科钟摆实验
1851年法国科学家傅科 在公众面前做了一个实验，用 一根长220英尺的钢丝将一个 62磅重的头上带有铁笔的铁球 悬挂在屋顶下，观测记录它前 后摆动的轨迹。发现钟摆每次 摆动都会稍稍偏离原轨迹并发 生旋转。傅科的演示说明地球 是在围绕地轴自转的。在巴黎 的纬度上，钟摆的轨迹是顺时 针方向，30小时一周期。在南 半球，钟摆应是逆时针转动， 而在赤道上将不会转动。在两 极，转动周期是24小时。
结束语
物理学如此之美，我们怎能不爱它.正因 有我们的爱，它将愈发美丽. 让我们怀着一颗虔诚之心，去学习物理、 探索自然，充实自己的思想、洗涤自己的灵魂， 真正用心去体验物理学之美。
物理学中的美，就是一种科学美。 著名物理学家杨振宁先生把物理学之美分为三类：即现 象之美，理论描述之美，理论结构之美。
也有人把物理学之美分为：物理学研究对象的之美，物理 学理论的之美，物理学实验的之美和物理学常数的之美等。 还有人把物理学之美说成它具有明快简洁美，均衡对称 美，奇异相对美和和谐统一美。
十大最美物理实验 ７．埃拉托色尼测量地球圆周长
古埃及的一个现名为阿斯旺的小 镇。在这个小镇上，夏至日正午的阳 光悬在头顶：物体没有影子，阳光直 接射入深水井中。埃拉托色尼是公元 前3世纪亚历山大图书馆馆长，他意识 到这一信息可以帮助他估计地球的周 长。在以后几年里的同一天、同一时 间，他在亚历山大测量了同一地点的 物体的影子。发现太阳光线有轻微的 倾斜，在垂直方向偏离大约7度角。剩 下的就是几何学问题了。假设地球是 球状，那么它的圆周应跨越360度。两 座城市成7度角，就是7／360的圆周， 相距5000个希腊运动场的距离。因此 地球周长应该是25万个希腊运动场。 今天，通过航迹测算，我们知道埃拉 托色尼的测量误差仅仅在5％以内。
十大最美物理实验
• • • • • • • • • • 米歇尔· 傅科钟摆实验 （排名第十） 卢瑟福发现核子实验 （排名第九） 伽利略的加速度实验 （排名第八） 埃拉托色尼测量地球圆周长 （排名第七） 卡文迪许扭矩实验 （排名第六） 托马斯· 杨的光干涉实验 （排名第五） 牛顿的棱镜分解太阳光 （排名第四） 罗伯特· 米利肯的油滴实验 （排名第三） 伽利略的自由落体实验 （排名第二） 托马斯· 杨的双缝演示应用于电子干涉实验 （排名第一）
十大最美物理实验 9.卢瑟福α粒子散射实验
1911年，卢瑟福进行 了一个十分著名的实验，他 将金箔片放在射线源和屏幕 之间，将第二个屏幕放置在 射线源旁来观察阿尔法粒子 是否被反射回来。卢瑟福很 惊讶地发现，有少数阿拉法 粒子被反射回来 。这就是 著名的卢瑟福“α粒子大角 度散射实验”．根据实验， 卢瑟福建立了原子的核式结 构模型。
十大最美Байду номын сангаас理实验 1.托马斯· 杨的双缝演示应用于电子干涉实验
为证实法国物理学家德 布罗意提出的一切粒子都具 有波粒二象性，科学家们用 电子流代替光束来做这个实 验。根据量子力学，电粒子 流被分为两股，被分得更小 的粒子流产生波的效应，它 们相互影响，以至产生像托 马斯· 杨的双缝演示中出现的 加强光和阴影。这说明微粒 也有波的效应。
物理学之现象美
物理学之现象美
物理学之实验美
物理学是实验科学，实验是物理学的基础。凡物理学 的概念、规律及公式等都是以客观实验为基础的，即物理 理论绝不能脱离物理实验结果的验证。此处所指的实验是 近代科学实验，是有目的地去尝试实践，是对自然的积极 探索。科学家提出某些假设或预见，为对其进行证明筹划 适当的手段和方法，根据由此产生的现象来判断原设计假 设或预见的真与否即为科学实验。从认识主体所起的作用 来看，科学实验同被动的经验、单纯的观察之间有很大的 不同。仅仅停留在观察试验上还不能称为科学实验和方法， 还必须使观察试验和理论研究结合起来。可以说科学实验 是人类文明发展的积极推动力之一
牛顿第二定律: F ma 热力学第一定律:
U Q W
法拉第电磁感应定律:
EN
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爱因斯坦质能方程: E m c2 爱因斯坦光电效应方程: 德布罗意波长:

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EK h W
物理学之对称美
光反射中的对称性
物理学之对称美
电场的对称性
物理学之对称美
磁场的对称性
物理学之和谐美
我们生存在一个奇妙无比的宇宙中。只 有借非凡的想象力才能鉴赏其年龄、 尺度、 狂暴甚至美丽。在这个极其广袤的宇宙中， 我们人类所处的地位似乎微不足道。 因此 我们试图理解这一切的含义，并且了解我 们在宇宙中的角色。
——《时间简史》
人类发射了无数的卫星、飞船、 探测器乃至空间实验室，去探索 我们这个奇妙的宇宙
物理美本身表现出可怕的和谐性．物 理学的和谐性主要表现在其学科自身内容 协调和形式匀称，而且与其他认识体系是 相容的、一致的。理论的各个部分以及各 种理论之间的和谐、形式的对称，无疑能 给人一种和谐的美感。电磁波与光理论、 引力平方反比作用与电荷相互作用的库仑 平方律、费尔马原理在力学和光学理论中 点电荷的电场线 怒发冲天 的和谐、质能关系反映的质量、能量之间 的统一性等都存在这种美感
十大最美物理实验 8.伽利略的加速度实验
伽利略的数据手稿
为证明自由落体运动是匀加速运动，伽利略做了一个6米多长，3 米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶 端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究它们之间的 关系。亚里士多德曾预言滚动球的速度是均匀不变的：铜球滚动两倍 的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程和时间的平 方成比例：两倍的时间里，铜球滚动4倍的距离，因为存在恒定的重 力加速度。