那些神一樣的物理實(shí)驗(yàn)

關(guān)爾東

十大最美物理實(shí)驗(yàn)

2002年，美國兩位學(xué)者在全美物理學(xué)家中做了一份調(diào)查，請他們提名有史以來最美的十大物理實(shí)驗(yàn)。最終的調(diào)查結(jié)果刊登在了當(dāng)年9月份的美國《物理世界》雜志上。這十大物理實(shí)驗(yàn)大部分都在我們課本中出現(xiàn)過，如伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)（排名第二）和斜面實(shí)驗(yàn)（排名第八）、牛頓用三棱鏡分解太陽光的實(shí)驗(yàn)（排名第四）、卡文迪許用扭矩測量萬有引力常數(shù)的實(shí)驗(yàn)（排名第六）、托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（排名第五）、羅伯特·密立根測量電子電荷量的油滴實(shí)驗(yàn)（排名第三）、盧瑟福的阿爾法粒子散射實(shí)驗(yàn)（排名第九）等。

為什么是它們？

十大最美物理實(shí)驗(yàn)中，年代最遠(yuǎn)的是公元前3世紀(jì)的埃拉托色尼利用太陽光測量地球圓周的實(shí)驗(yàn)（排名第七），年代最近的是1961年前后，根據(jù)托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理做的電子干涉實(shí)驗(yàn)（排名第一）。而2002年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者是因?yàn)樗麄冊谔祗w物理學(xué)領(lǐng)域做出的先驅(qū)性貢獻(xiàn)，特別是在“探測宇宙中微子”和“發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源”方面的成就。對比之下，你一定很疑惑，為什么在物理學(xué)已經(jīng)迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，反而是這十個看似很初級的實(shí)驗(yàn)獲得了物理學(xué)家們的推崇？

物理學(xué)家們給出了他們的理由：這些實(shí)驗(yàn)都緊緊抓住了物理學(xué)家眼中最美麗的“科學(xué)之魂”——用最簡單的儀器設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念，解除人們長久的困惑，開辟了人們對自然界的嶄新認(rèn)識。比如，一個簡單的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就能證明光具有波動性，而不僅僅是牛頓認(rèn)為的光是一種微粒。把光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理遷移到電子干涉中，同樣也證明了電子具有波動性，完全顛覆了人們認(rèn)為電子僅僅是一種粒子的傳統(tǒng)觀念。

看到這，請你翻開你的課本，像物理學(xué)家一樣欣賞那些曾被我們視為尋常的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)吧！相信我，物理不僅僅是那些題目，它既極致簡單又深邃寬厚。了解越深，你就會越為它而著迷。

神廟里的神設(shè)計

上述實(shí)驗(yàn)在課本中大多有較為詳細(xì)的介紹，而排名第十的傅科擺實(shí)驗(yàn)在人教版高中物理課本中，僅僅是以插圖的形式出現(xiàn)在選修3-4第14頁。如果就這樣與傅科擺實(shí)驗(yàn)擦肩而過，你真的是錯過了科學(xué)史中極為酷炫的一幕！

豪奢實(shí)驗(yàn)室：巴黎萬神殿

巴黎萬神殿，也稱為巴黎先賢祠，為法國國王路易十五所建，1790年竣工，現(xiàn)為法國歷代名人的長眠之地。

走進(jìn)萬神殿的地下室，首先看到的兩座墓分別屬于偉大的哲學(xué)家伏爾泰和盧梭。居里夫婦、雨果、布萊葉、左拉、大仲馬等人的墓也在地下室里。大多數(shù)墳?zāi)苟挤浅：啒?，只是狹小石室內(nèi)的一具石棺。雖然到處是棺木，但氣氛并不陰森，漫步其間，甚至能感受到先賢們偉大的靈魂。

萬神殿的地上建筑平面呈希臘十字形，長100m，寬84m，高83m。設(shè)計非常大膽，柱細(xì)墻薄，加上上部巨大的采光窗和雕飾精美的柱頭，室內(nèi)空間顯得非常輕快優(yōu)雅?；蛟S正因?yàn)槿绱耍@里被科學(xué)家傅科選為他的實(shí)驗(yàn)室。

簡單原理：當(dāng)單擺擺動時，在沒有外力的作用下，擺球?qū)⒈３止潭ǖ臄[動方向。如果地球在轉(zhuǎn)動，那么單擺下方的地面旋轉(zhuǎn)，而懸在空中的擺球具有保持原來擺動方向的慣性，對于地面觀察者來說，擺球的擺動方向?qū)鄬τ诘孛姘l(fā)生變化。

霸氣器材：超大型單擺——擺長為67m的單擺，擺錘為直徑30cm、重28kg的鐵球，鐵球下面帶有鐵筆，下面放一個直徑6m的沙盤。（擺球運(yùn)動方向的改變是細(xì)微的，因此需要足夠長的擺長，才能觀察到足夠明顯的實(shí)驗(yàn)效果。沙盤可記錄擺球的擺動方向）

眼見為實(shí)：1851年，傅科進(jìn)行了著名的傅科擺實(shí)驗(yàn)。他將上述單擺懸掛在巴黎萬神殿圓屋頂?shù)闹醒?，使它可以在任何方向自由擺動。當(dāng)人們親眼看到單擺每振動一次（周期為16.5s），擺尖在沙盤邊沿畫出的路線移動約3mm，每小時偏轉(zhuǎn)11°20′（31小時47分回到原處）時，許多人目瞪口呆，有人甚至在久久凝視后說：“確實(shí)覺得自己腳底下的地球在轉(zhuǎn)動！”

酷炫結(jié)果：傅科擺實(shí)驗(yàn)是地球自轉(zhuǎn)的最好證明。傅科也由此被當(dāng)時的法國政府授予榮譽(yù)騎士五級勛章。

傅科的實(shí)驗(yàn)還在全世界引發(fā)了一股追風(fēng)熱潮。各地的人們紛紛效仿傅科，用長長的鐘擺來揭示地球的自轉(zhuǎn)。人們發(fā)現(xiàn)，在地球的兩極，傅科擺的擺動平面24小時轉(zhuǎn)一圈；而在赤道上，傅科擺沒有方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；在兩極與赤道之間的區(qū)域，傅科擺方向的旋轉(zhuǎn)速度介于兩者之間。

至今，巴黎萬神殿正中央依然保留著160多年前傅科擺實(shí)驗(yàn)所用的沙盤和標(biāo)尺。不僅僅是在巴黎，在世界各地你都可以看到傅科擺的身影，例如，你可以在北京天文館看到一個傅科擺的復(fù)制品。

實(shí)在是太震撼了，還是做一道高考題來壓壓驚吧！

高考題中的最美實(shí)驗(yàn)

（2013·全國新課標(biāo)卷Ⅰ）如圖是伽利略1604年做斜面實(shí)驗(yàn)時的一頁手稿照片，照片左上角的三列數(shù)據(jù)如下表。表中第二列是時間，第三列是物體沿斜面運(yùn)動的距離，第一列是伽利略在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時添加的。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，伽利略可以得出的結(jié)論是（ ）

1 1 32

4 2 130

9 3 298

16 4 526

25 5 824

36 6 1192

49 7 1600

64 8 2104

A.物體具有慣性

B.斜面傾角一定時，加速度與質(zhì)量無關(guān)

C.物體運(yùn)動的距離與時間的平方成正比

D.物體運(yùn)動的加速度與重力加速度成正比

解析：從表格中的數(shù)據(jù)可知，時間變?yōu)樵瓉淼?倍，下滑的距離大約變?yōu)樵瓉淼?倍；時間變?yōu)樵瓉淼?倍，距離變?yōu)樵瓉淼?倍，可知物體運(yùn)動的距離與時間的平方成正比。

答案：C

偉大的拉瓦錫

拉瓦錫（1743年8月26日至1794年5月8日），法國貴族，著名化學(xué)家、生物學(xué)家，被后世尊稱為“近代化學(xué)之父”。

拉瓦錫出身于富有的貴族家庭。在按家族傳統(tǒng)攻讀到律師文憑之后，他選擇走上了科學(xué)研究的道路。

他使化學(xué)從定性轉(zhuǎn)為定量，給出了氧與氫的命名，并且預(yù)測了硅的存在。

他提出了“元素”的定義，于1789年發(fā)表的第一個現(xiàn)代化學(xué)元素列表，就是根據(jù)他的定義列出的。不過這個跟大家背的那個門捷列夫元素周期表不一樣。這個表里只有33種元素，其中包括光與熱和一些當(dāng)時被認(rèn)為是元素的化合物。

他提出規(guī)范的化學(xué)命名法，撰寫了第一部真正現(xiàn)代化學(xué)教科書《化學(xué)基本論述》。

他倡導(dǎo)和改進(jìn)定量分析方法，并用其驗(yàn)證了質(zhì)量守恒定律。

他創(chuàng)立氧化說以解釋燃燒等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，指出動物的呼吸實(shí)質(zhì)上是緩慢氧化。

……

這些工作，特別是他所提出的新觀念、新理論、新思想，為近代化學(xué)的發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)。拉瓦錫之于化學(xué)，猶如牛頓之于物理學(xué)。

軍功章的一半屬于她

以上是為我們所熟知的化學(xué)家拉瓦錫，同樣為我們所熟知的是化學(xué)教科書上的這張插圖：

可是……拉瓦錫老師你在記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對不對？在研究空氣的成分對不對？？做實(shí)驗(yàn)要專注對不對？？？這個眼神怎么如此的不走心？！那個方向有啥比空氣成分更重要的東西嗎？！

你別說還真有。讓我們來看看原圖長啥樣：

這就情有可原了。美麗的老婆大人在身邊倚著，who還care什么空氣成分？

這張肖像畫是大名鼎鼎的畫家雅克·路易·大衛(wèi)創(chuàng)作于1788年，現(xiàn)收藏于大都會美術(shù)館。我們對比一下化學(xué)教科書的配圖就會發(fā)現(xiàn)，書上的配圖不僅把拉瓦錫夫人裁掉了，還無情地涂黑了夫人的玉手。這樣真的好嗎？

要知道，拉瓦錫夫人是拉瓦錫最為得力的助手。她是優(yōu)秀的文獻(xiàn)翻譯，把資料從英文翻譯成法文，其中包括約瑟夫·普利斯特里和亨利·卡文迪什的著作，拉瓦錫的研究離不開她翻譯的文獻(xiàn)，推翻燃素學(xué)說也是得益于她的工作。除此之外，夫人還保存著拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)記錄，在她去世之前，幾乎能夠還原出拉瓦錫全部的實(shí)驗(yàn)筆記和儀器。軍功章有拉瓦錫的一半也有夫人的一半，教科書你隨便把人家涂掉真的好嗎？！

悲劇就是把美好的東西毀滅給人看

法國大革命爆發(fā)后，由于他人的陷害，1794年5月8日拉瓦錫被定罪，并在當(dāng)天與其他27個稅務(wù)官一起被推上斷頭臺。

著名的法籍意大利數(shù)學(xué)家拉格朗日曾痛心地說：“他們可以一瞬間把他的頭割下，而他那樣的頭腦一百年也許長不出一個來?！?/p>

拉瓦錫夫人雖然免于一死，但是新政府沒收了她的全部財產(chǎn)，這還不算，所有的實(shí)驗(yàn)手記和設(shè)備也被通通收走。拉瓦錫夫人經(jīng)歷了這樣一場劫難，幾乎一無所有。但即使這樣，她依舊克服了諸多磨難，堅持出版了拉瓦錫的回憶錄。回憶錄里記錄著拉瓦錫和他的同事們十分寶貴的研究成果：液體的形成、有關(guān)熱量的研究、水的組成，等等。是她的不懈努力，讓自己愛人在化學(xué)領(lǐng)域那些偉大的研究成果在科學(xué)史上大放異彩。

彩蛋在此！

雖然拉瓦錫夫婦沒能同年同月同日生，也沒能同年同月同日死。

雖然化學(xué)教科書壓根就沒讓拉瓦錫夫人露面，但是——