趣談物理課本中的重大觀察和實驗

劉遠(yuǎn)輝 張宇

(哈爾濱師范大學(xué)附屬中學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150080)

物理學(xué)是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的科學(xué).縱觀物理學(xué)發(fā)展，觀察和實驗始終都發(fā)揮著不可替代的作用.著名物理學(xué)家法拉第就曾說：“沒有觀察就沒有科學(xué)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)誕生于仔細(xì)觀察之中”.量子力學(xué)開創(chuàng)者之一普朗克也感嘆：“物理定律不能單靠‘思維’來獲得，還應(yīng)致力于觀察和實驗.”

在中學(xué)物理教學(xué)中穿插介紹物理學(xué)發(fā)展歷程中的一些重大觀察和實驗，有利于強(qiáng)化學(xué)生對物理觀察和實驗的重要性認(rèn)識，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，有助于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)[1].人民教育出版社的高中物理教材(2020年5月第1版)中，就精心選擇介紹了一些有趣的重大觀察或?qū)嶒炇穼?本文在教材基礎(chǔ)上加以梳理并做簡要補(bǔ)充.

仔細(xì)品味，教材上提供的這些有趣的觀察或?qū)嶒灴煞譃槿缦聨最惽闆r.

1 從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)異常引發(fā)新發(fā)現(xiàn)

在自然科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)研究會經(jīng)常遇到異常情況.有的異常可能只是尋常干擾導(dǎo)致，而有的異常卻可以啟發(fā)研究者獲得新發(fā)現(xiàn).能否合理評判異常情況，考驗著科學(xué)家的專業(yè)水平和專業(yè)敏感[2].

1.1 事例——中微子的發(fā)現(xiàn)

《選擇性必修三》第三章第3節(jié),課本內(nèi)容中簡述了中微子的發(fā)現(xiàn).

1896年法國的貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象.1898年，英國的盧瑟福將3種放射性射線命名為α、β和γ射線.然而盧瑟福深入研究時，卻發(fā)現(xiàn)了在放射β射線過程中存在“總能量不守恒”的“異常”情況！許多物理學(xué)家都無法對此“異?！苯o出圓滿解釋，就連當(dāng)時的量子物理權(quán)威玻爾也懷疑能量守恒定律是否適用于微觀量子世界.1931年，瑞士籍奧地利理論物理學(xué)家泡利預(yù)言：在該過程中有一種從未發(fā)現(xiàn)過的未知粒子“竊取”了一部分能量，才導(dǎo)致所謂的“能量不守恒”.后來人們將該未知粒子稱為“中微子”.但由于中微子速度極快且?guī)缀醪缓推渌镔|(zhì)發(fā)生作用，因而極難被觀測到.1941年，我國物理學(xué)家王淦昌寫了一篇題為《關(guān)于探測中微子的一個建議》的文章，發(fā)表在1942年美國的《物理評論》雜志上.人們很快根據(jù)這個方案用實驗證實了中微子的存在.中微子的發(fā)現(xiàn)起始于β衰變中的“能量不守恒”這個所謂的“異?！爆F(xiàn)象.

1.2 類似事例

(1)海王星的發(fā)現(xiàn)(《必修二》第七章第3節(jié)).

(2)由α粒子散射實驗現(xiàn)象推翻原子的“棗糕”模型，建立核式結(jié)構(gòu)模型(《選擇性必修三》第四章第3節(jié)).

(3)重整化理論的建立(《選擇性必修三》第五章第5節(jié)).

2 先提出新理論后由他人通過觀察或?qū)嶒灲o以驗證

實驗是檢驗理論正確與否的標(biāo)準(zhǔn)，愛因斯坦說：“一個矛盾的實驗結(jié)果就足以推翻一種理論”.通過實驗可以驗證假說、檢驗理論的正確性.在物理學(xué)理論中,有一類是由某位物理學(xué)家首先提出并作出一定預(yù)言,后由他人通過觀察或?qū)嶒灲o以驗證的.

2.1 事例——德布羅意的物質(zhì)波理論

光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)充分體現(xiàn)了光的粒子性，這引發(fā)了法國人德布羅意的思考：人們一度確信光是波動，但現(xiàn)在又確定光還具有粒子性，那么，原本那些一直被當(dāng)做粒子的物質(zhì)，是不是也應(yīng)該具有波動性呢？經(jīng)過研究，德布羅意在1924年的博士論文里詳細(xì)闡述了他的物質(zhì)波(也稱德布羅意波)理論：任何一個運(yùn)動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與它對應(yīng)，人們把這種波稱為物質(zhì)波，也叫德布羅意波.并且隨后提出：可以用晶體對電子的衍射實驗來證明電子的波動性.1926年，美國的戴維孫和英國的G.P.湯姆孫幾乎同時在實驗中發(fā)現(xiàn)電子衍射現(xiàn)象.這個實驗為物質(zhì)波理論提供了堅實的基礎(chǔ).由此，德布羅意獲得1929年的諾貝爾物理學(xué)獎，戴維孫和G.P.湯姆孫也分別獲得了1933年和1937年的諾貝爾物理學(xué)獎.

2.2 類似事例

(1)麥克斯韋提出電磁場理論，預(yù)言了電磁波的存在，赫茲給以實驗驗證(《選擇性必修二》第四章第2節(jié)).

(2)1956 年，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用過程中宇稱不守恒，并提出了實驗驗證的建議.1957 年，吳健雄領(lǐng)導(dǎo)的小組在鈷 60 的衰變中證實了宇稱不守恒的論斷(《選擇性必修三》第五章第5節(jié)).

3 本來試圖否定別人的理論 但又恰是通過實驗對該理論給以證實

伽利略有句名言：真理具備這樣的力量，就是你越想要攻擊它，你的攻擊就愈加充實和證明了它.物理學(xué)史上，不乏這樣的經(jīng)典故事.

3.1 事例——密立根的光電效應(yīng)實驗

《選擇性必修三》第四章第2節(jié)課本內(nèi)容介紹了光電效應(yīng)的重大發(fā)現(xiàn).

為解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，偉大的物理學(xué)家愛因斯坦于1905年提出了光子說，并給出光電效應(yīng)方程Ekm=hν-W0.但是，當(dāng)時許多主流的科學(xué)家都不認(rèn)可這個假說，美國實驗物理學(xué)家密立根就是其中的一員.為了推翻愛因斯坦的假說，密立根設(shè)計了精確的實驗，最終利用實驗數(shù)據(jù)畫出了光電子最大初動能Ekm與入射光頻率ν的函數(shù)圖線.結(jié)果出現(xiàn)了戲劇性的反轉(zhuǎn)：密立根發(fā)現(xiàn)圖線的斜率正好等于普朗克在解釋黑體輻射規(guī)律時給出的普朗克常數(shù)h.這意味著愛因斯坦的方程是可信的.這樣，密立根實驗不但沒有推翻愛因斯坦的假說，反而對該理論提供了有力的支持.更為可貴的是，密立根以實事求是的科學(xué)態(tài)度，轉(zhuǎn)而成為愛因斯坦的支持者.這種科學(xué)精神值得學(xué)習(xí).

3.2 類似事例

泊松亮斑的理論和實驗驗證過程也屬于類似事例,見《選擇性必修一》第四章第5節(jié).

4 通過對前人實驗裝置的改進(jìn) 完成別人沒有完成的發(fā)現(xiàn)

對于物理學(xué)發(fā)展到某個階段的某個具體問題，往往有不同的人同時展開實驗研究.由于學(xué)術(shù)間的交流，他們在實驗研究思路上也往往是相似的.這種情況下，那些能夠?qū)嶒灧桨富驅(qū)嶒炑b置做到巧妙的、合理的改進(jìn)，從而克服別人解決不了的困難的科學(xué)家往往拔得頭籌，取得實驗研究上的突破.

4.1 事例——湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子

《選擇性必修三》第四章第3節(jié)內(nèi)容中記載了湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的過程.

19世紀(jì)70年代陰極射線被發(fā)現(xiàn).現(xiàn)在我們已經(jīng)知道這種射線本質(zhì)是電子流.但在當(dāng)時關(guān)于陰極射線的本性存在兩種觀點：一種觀點認(rèn)為該射線是電磁波；另一種觀點認(rèn)為是帶電粒子流.兩派觀點分別得到當(dāng)時的一些頂級物理學(xué)家的支持.其實，當(dāng)時的物理學(xué)家都知道：只要證明陰極射線可以被磁場和電場所偏轉(zhuǎn)，就意味著其本性為帶電粒子.例如，赫茲就曾在1893年做過這個嘗試.但是赫茲和他的學(xué)生勒納德由于在實驗中沒有發(fā)現(xiàn)陰極射線被電場偏轉(zhuǎn)以及陰極射線可以透過鋁箔，而堅持陰極射線的電磁說.因為他們認(rèn)為這證明了陰極射線是不帶電的，而且只有波才能穿越實物.其實赫茲之所以沒有觀察到電場對陰極射線的明顯偏轉(zhuǎn)，是由于他所使用的射線管的真空度不夠高，射線管中的殘余氣體對電子運(yùn)動產(chǎn)生了很大影響造成了電子的偏轉(zhuǎn)不明顯.后來，英國的湯姆孫使用了與赫茲實驗幾乎相同的裝置，只是改進(jìn)了真空度，使真空度大幅度提高，從而觀察到了電場對射線有明顯的偏轉(zhuǎn)作用，射線的表現(xiàn)與帶負(fù)電粒子的行為完全相同.這就使人們確信陰極射線是帶負(fù)電的粒子流(電子流).在對陰極射線的研究上，湯姆孫還對前人做過的其他實驗進(jìn)行改進(jìn)，從而獲得了該射線粒子比較全面而準(zhǔn)確的信息，所以湯姆孫被公認(rèn)為是最先發(fā)現(xiàn)電子的人.

4.2 類似事例

(1)卡文迪許通過改進(jìn)扭秤，完成對萬有引力常數(shù)的準(zhǔn)確測量(《必修二》第七章第2節(jié)).

(2)光電效應(yīng)實驗中，許多科學(xué)家受電極氧化造成的困擾.密立根在裝置里巧妙地安置了一個可以隨時轉(zhuǎn)動的剃刀，當(dāng)需要開始實驗的時候，就轉(zhuǎn)動這個剃刀刮掉電極上薄薄一層表皮，讓新刮出來的表面在真空中保持清潔，從而保證了研究的順利完成(《選擇性必修三》第四章第2節(jié)).

除以上幾類有趣的觀察或?qū)嶒炌?，還有非常經(jīng)典的“一箭雙雕”實驗，如勞厄的X射線晶體衍射實驗，同時證實了X射線的波動性和晶體內(nèi)部的原子點陣結(jié)構(gòu)，被愛因斯坦譽(yù)為物理學(xué)中最美的實驗(《選擇性必修一》第四章第5節(jié)).

總之，我們之所以說這些觀察或?qū)嶒灐坝腥ぁ?，是因為它們閃耀著一代代物理學(xué)家們智慧的光輝，處處散發(fā)著無窮的魅力.在教學(xué)中適當(dāng)拓展介紹這些經(jīng)典事跡，無疑會讓學(xué)生更加愛上物理學(xué).