一個(gè)個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，揭開物理世界的奧秘

馬海潮

比薩斜塔上的小鐵球

比薩斜塔大家都不陌生，其作為一個(gè)傾斜角度較大的建筑物，能屹立幾百年而不倒，本身就是一個(gè)奇跡。其實(shí)，比薩斜塔和物理學(xué)的發(fā)展也息息相關(guān)，伽利略就是在比薩斜塔上完成了他的成名之作。

伽利略是一個(gè)物理天才，他看著天主教堂的天花板發(fā)呆，發(fā)現(xiàn)擺的規(guī)律并制造出時(shí)鐘。21歲時(shí)，他已經(jīng)聞名意大利，被譽(yù)為“當(dāng)代阿基米德”。就是這樣一個(gè)天選之子也曾被質(zhì)疑，這就要從當(dāng)時(shí)的物理學(xué)發(fā)展情況說起。當(dāng)時(shí)，意大利人普遍認(rèn)為古希臘亞里士多德的物體下落規(guī)律是正確的，即物體越重，下落速度越快，物體越輕，下落速度越慢。1 900多年來，人們都認(rèn)為這是不可推翻的真理。但是伽利略卻不這樣認(rèn)為，他想，天上下冰雹，大冰雹和小冰雹不是同時(shí)落地的嗎？究竟是他錯(cuò)了，還是亞里士多德錯(cuò)了？為了證明自己的想法，伽利略在比薩斜塔上完成了一個(gè)經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始，伽利略和學(xué)生將一個(gè)100磅和1磅的鐵球放在一個(gè)小木盒里，木盒底部有開關(guān)，實(shí)驗(yàn)開始，底部開關(guān)打開，兩個(gè)鐵球同時(shí)下落，結(jié)果令所有人目瞪口呆，原來鐵球是同時(shí)落到地面上的！一個(gè)延續(xù)一千多年的“真理”，就這樣被一個(gè)年輕人推翻了。伽利略的實(shí)驗(yàn)，揭示了自由落體的秘密，在物理學(xué)的發(fā)展歷史上具有劃時(shí)代的意義。

誰推了小球

上文說到伽利略的成名作是自由落體理論，他用科學(xué)推理和理想實(shí)驗(yàn)推翻了所謂的“真理”。后來，伽利略的又一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓他再次為物理學(xué)的發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)，這次是伽利略的加速度實(shí)驗(yàn)。加速度實(shí)驗(yàn)和自由落體的規(guī)律是相關(guān)的，但小球落地的速度太快了，根本不可能用測(cè)量的方式找到自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。伽利略想了一個(gè)新辦法，如果能用斜面來減少重力對(duì)速度的影響，讓運(yùn)動(dòng)的速度變慢，這樣是不是就能將測(cè)量速度轉(zhuǎn)化成測(cè)量路程和時(shí)間呢？說做就做，伽利略制作了一個(gè)長6米、寬3米的木板槽，木板槽傾斜固定，讓銅球從上面滾下來，通過分析銅球滾下來的時(shí)間和距離，確定他們的數(shù)學(xué)關(guān)系。

在加速度實(shí)驗(yàn)中，伽利略又有了新的發(fā)現(xiàn)，亞里士多德預(yù)言球滾動(dòng)的速度是一成不變的，滾動(dòng)兩倍的時(shí)間，就能走兩倍的距離。但是伽利略發(fā)現(xiàn)，滾動(dòng)兩倍的時(shí)間，銅球走了四倍的距離，這是不是說明小球運(yùn)動(dòng)另有玄機(jī)？在不斷的實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和推理下，伽利略終于得出了自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且他還驗(yàn)證，如果木板的摩擦力小到可以忽略，小球從一個(gè)斜面滾下之后，無論下一個(gè)斜面角度是多少，小球總能到達(dá)相同的高度。如果下一個(gè)斜面是平行的呢？小球當(dāng)然會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，這就是慣性運(yùn)動(dòng)。

玻璃中的彩虹

在發(fā)現(xiàn)光譜之前，牛頓一直專注于課題研究，每天沒日沒夜研究物理實(shí)驗(yàn)。牛頓在做其他實(shí)驗(yàn)的過程中碰巧發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象，用實(shí)驗(yàn)證明了白光的成分。當(dāng)時(shí)，人們認(rèn)為白光是一種沒有其他顏色的純色光，奉行亞里士多德的理論，即有色光是一種不知何故發(fā)生變化的光。在偶然的一次實(shí)驗(yàn)中，牛頓用手中的三棱鏡發(fā)現(xiàn)了光的不同顏色，揭示了光譜。在三棱鏡中，陽光在墻上分解成不同的顏色，也就是后來的光譜，牛頓為此興奮不已，還給光的顏色命名，這也就是紅橙黃綠青藍(lán)紫七種顏色名稱的來源。那么，光為什么能分散成不同的顏色呢？牛頓認(rèn)為，白光是不同顏色光線的混合，光譜伸長后，玻璃對(duì)光線的折射本領(lǐng)不同，就會(huì)分散不同的顏色。正是這個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)開啟了人們對(duì)光譜學(xué)的研究。

你知道嗎？其實(shí)光不止涵蓋七種顏色，光本質(zhì)上是電磁波，除了人眼能看到的一段外，波長太長或太短的光波是看不到的，例如紫外線、紅外線。

用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)揭示世界美好

在物理學(xué)歷史發(fā)展長河中，許多定理的驗(yàn)證都是用無數(shù)個(gè)日夜的實(shí)驗(yàn)、推理得出的，將實(shí)驗(yàn)和猜想結(jié)合起來，正是將理性和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來的有效方式?？茖W(xué)家用最純真的情感、最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度分析物理未解之謎，讓我們感受物理世界的美妙。正如愛因斯坦所言，人的思維創(chuàng)造出一直在改變的宇宙圖景。我們應(yīng)將思想和信念結(jié)合在一起，用理性的思考和求真務(wù)實(shí)的態(tài)度，真正發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象中的物理，用物理解開生活中的未解之謎，在探索的過程中，我們一定會(huì)發(fā)現(xiàn)別樣的樂趣。

作者單位|甘肅省積石山縣癿藏中學(xué)