实验在物理学发展中的作用

物理学史作业

2012届

实验在物理学发展中的作用

学生姓名赵孟冬

学号 08103137

院系数理信息学院

专业物理学

指导教师余国祥

完成日期2012年12月19日

实验在物理学发展中的作用

摘要

物理学是一门以实验为本科学。物理实验不仅是物理学理论的基础，更是物理学发展的基本动力。伽利略的实验研究特别是他把实验和数学方法结合来研究物理规律使物理学开始走上了真正的科学道路。实验在物理学的发展中有巨大的推动作用，在物理学中，每个概念的建立，每个规律的发现，无不有坚实的实验基础，而且在物理学史上，许多关键的问题的解决，最终都要诉诸实验。本文介绍了近代物理学的发展中四个著名的实验以及其在物理学发展中的作用。

关键词物理学；物理实验；发展；作用

目录

摘要 (2)

引言 (4)

1. 发现新事物.探索新规律 (4)

1.1. X射线的发现 (4)

1.1.1. X射线的发现的过程 (4)

1.1.2. 产生的影响 (5)

2. 验证物理理论 (5)

2.2. 光电效应的研究 (5)

2.2.1. 光电效应的发现 (6)

2.2.2. 勒纳德的新发现 (6)

2.2.3. 密立根的光电效应实验 (6)

2.2.4. 研究光电效应的意义 (7)

3. 测定物理常量 (7)

3.3. 基本电荷的测定 (7)

3.3.1. 汤森德电解法 (7)

3.3.2. 汤姆逊的膨胀云室法 (8)

3.3.3. 威尔逊的平板电极法 (8)

3.3.4. 密立根的水珠平衡法 (8)

3.3.5. 密立根油滴平衡法 (8)

3.3.6. e的精确值 (9)

4. 推广应用新技术 (9)

4.4. 核磁共振 (9)

4.4.1. 从核磁矩的研究谈起 (9)

4.4.2. 珀塞尔小组的共振吸收实验 (9)

4.4.3. 布洛赫的核感应实验 (10)

4.4.4. 实际中的应用 (11)

参考文献 (12)

引言

物理学是以实验为本的科学，在物理学的发展中起来重要作用。在物理学的工作者中有90%从事实验工作。而从伦琴获得诺贝尔奖以来的一百年，176位获奖的物理学家中有67%的人因实验而获奖。张文裕说“科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。”他还说“基础哑巴你就、应用研究、开发研究和生产这四个方面紧密贯穿在一起，必然有一条红线，这局势科学实验”

总之物理实验的作用基本上就是发现事实，验证理论，测定常数，推广应用四个方面。下面本文就从这四个方面进行浅谈。

1.发现新事物·探索新规律

在经典物理学的发展中，许多伟大物理学家们的实验为经典力学理论的提出与规律的发现提供了大量的实验事实。例如，在力学方面的伽俐略的斜面实验、胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验等都是如此。电学方面的库仑定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等的建立，光学方面的有关光的干涉、衍射、偏振等现象的定律也都是先在实验中发现，再通过总结而得出的。在19世纪末和20世纪初，当人们普遍认为物理学已发展到了顶峰，只是进一步把常数测得在准些的时候，人们发现了X射线、电子、光电效应，核磁共振等，这些用经典物理学无法解释的实验现象，经典物理遇到了空前的困惑，在伟大的物理学家们的努力下，近代物理学和现代物理学因此而诞生了，物理学得到了重大发展。这一事实充分说明了物理实验，只有物理实验才是物理学的基础。

1.1.X射线的发现

1901年，首届诺贝尔物理理学奖授予德国物理学家伦琴(Wilhelm

Konrad RiSntgen，1845—1923)，（图1-1）以表彰他在1895年发现

了X射线。

1.1.1.X射线的发现的过程

1895年11月8日，正当伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实

验工作，一个偶然事件吸引了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电

管用黑纸包严，并充分抽成真空。他突然发现在不超过lm远的小桌

上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。并且他发现，产生的荧

图1-1

光与涂面是否朝着放电管完全无关，甚至当制品放在仪器装置两米外

时，还可以看到这种荧光[1]。这个现象还有一个令人惊异的特点，就是这种能穿透黑纸版德尔成分，很多种物体对他来说都是透明的。比如伦琴发现一千多页的一本厚书对它几乎没有阻碍，二三厘米厚德松木板只有轻微的吸收。水，二氧化碳和各种别的液体也是透明的，只有在铜金银铅和铂板在一定厚度时才有较强的吸收。

。伦琴意识到这可能是某种特殊的射线，它具有特别强的穿

透力，从来没有观察到过。为了证实这一事实，伦琴用了六个星

期，做了很多的实验，对此进行了深入的研究。他把密封在木盒

中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；

他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍

照，拍出了金属片内部不均匀的情况[2]。

。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的

手拍下了第一张人手X射线照片（图1—2）。

图1-2

1895年年底，他以通信方式将这一发现公之于众。题为《一种新射线(初步通信)》。伦琴在通信中把这一新射线成为X射线[3]

1.1.

2.产生的影响

由于X射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用价值，在伦琴宣布这一发现的极短时间内，全世界的医院都把X 射线诊断作为常规手段，成为透视人体、检查伤病的有力工具。后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。

X射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。由于科学家探索X射线的本质，发现了X射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门；根据晶体衍射的数据，可以精确地求出阿伏加德罗常量。在研究X射线的性质时，还发现X射线具有标识谱线，其波长有特定值，和X射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X 射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。[4]

2.验证物理理论

物理学的主体是理论。而理论是否正确，必须经过物理实践的检验。即使最权威的理论也必须通过实验的检验才能得到公认，实践是检验真理的唯一标准。例如，麦克斯韦的电磁场理论，只是当电磁波被赫兹的实验证实后才成为举世公认的电磁理论的基础；又如，直到密立根在1916年用严密的光电效应实验证实后，爱因斯坦的光量子论，才被人们接受；同样，赫兹的电磁波证实了麦克斯韦的电磁场理论。就是理论的适用范围，也是由实验在检验理论的过程中来确定。

理论和实验是物理学的两大部分。没有物理实验，物理理论就没有了基础的；没有了物理理论，物理实验也就失去了方向。两者相辅相成，缺一不可。

2.2.光电效应的研究

1905年爱因斯坦(图2-1)在题为《关于光的产生和转化的一个试

探性观点》的论文里，认为，指出只要把光的能量看成是不连续分布

的，就可以解释黑体辐射的规律，以及光电效应，电离现象等一些些