第九节物理实验方法20102.ppt

第九节 实验方法 一、物理实验与物理学的发展 在物理学的发展历程中，实验和理论互为依赖、相辅相成。实验在物理学的发展过程中起着关键性的作用。 ? 1、物理实验的性质和作用 物理学是一门实验性的科学。 物理实验：是物理工作者在控制条件下，运用仪器、设备，使物理现象反复再现，从而有目的地进行观测研究的一种方法。 开创实验性物理学的奠基人是伽利略。1589年，伽利略为了研究物体的运动与力之间的关系，做了两个著名的斜塔实验和斜面实验。通过这一划世纪性实验的研究，从此奠定了经典运动学的基础，打破了亚里斯多德的运动学对物理学发展长达1800多年的禁锢，也使物理学的发展从此走上了一条真正科学的道路。从中，我们也能看到有目的、有计划、有针对性的研究力与运动关系的实验的科学意义。 2、实验事实的直接总结是产生物理理论的前提 有许多物理学的理论规律是直接从大量实验事实中总结概括出来的。如： ①经典物理学中的开普勒三定律是依据第谷?布拉赫所积累的大量天文观测资料，采纳了哥白尼的日心说体系，又把哥白尼的圆形轨道修改为椭圆轨道而得到的。 ②能量守恒与转换定律也是通过大量实验的归纳和总结而得到的，其中起着关键性作用的是焦耳的热功当量实验。 ③电磁学中的一系列定律，如库仑定律、欧姆定律、安培定律、毕奥-沙伐尔定律、法拉第电磁感应定律等，都是直接从大量实验事实中总结概括出来的。 3、物理学上的观点争论最终都由实验作出判决 物理学中常常发生一些不同意见、或不同的理论来解释同一问题的争论。往往是通过实验给予某一种意见以有力的支持，而且最终还得靠实验来作出终结判断。 比如：①在对光的本质的认识过程中，微粒说和波动说的争论持续过很长一段时间。最初，由于光的直线传播的事实，很自然地支持了微粒说； 可是，光的独立传播事实，即两束光交叉后，还是各自按原来的方向和强度传播，又给惠更斯的波动说提供了有利的证据。 托马斯?杨的双缝干涉实验显然证明光是一种波动，1808年，马吕斯发现的光的偏振现象更证明光不仅是一种波动，而且是一种横波；但是，1899年列别捷夫的光压测定实验证实光压的存在，实验结果又有利于光是一种微粒的学说。 1912 年，劳厄的x射线衍射实验证明x射线也是一种电磁波；而光电效应、以及1923年康普顿用光子和电子相互碰撞解释x射线散射中波长变长的实验结果（即康普顿效应）又给爱因斯坦的光量子假说以有力的支持。最后，以波粒二象性结束了这一场旷日持久的争端，解释了已有的实验事实。 ②自从17世纪以来，人们提出了各种“以太”假说，从“机械以太”、“电磁以太”，一直到“光以太”、“绝对以太”等。但是，任何一种“以太”学说都不能解释迈克尔逊—莫雷实验的事实，于是最后只得以放弃“以太”学说而告终。 4、实验是修正错误的依据和发展新理论的起点 实验常常成为纠正错误理论的依据和发展理论的新起点。如： ①古希腊的亚里斯多德曾经断言：体积相等的两个物体，较重的那个下落较快。他认为，物体下落的快慢精确的与它们的重量成正比。这种理论曾经统治过物理学界达1800年之久。 科学发展到中世纪，曾不断有怀疑和反对的意见，但都因为没有成熟而有力的实验事实予以支持。是伽利略的斜塔实验给予最终的否定。 5、从美好的假说发展到科学理论依赖于实验 常常有这样的情况，在实验事实的基础上，科学家们设想出一个理论模型，或给出理论上的预言。这些理论看起来或许是很有创见、合情合理的，但是在没有得到实验的验证之前，这种理论还只能算是一种设想、一种假说，不是科学的理论。如： 19世纪60年代开始，麦克斯韦在大量实验的基础上，特别是法拉第关于电磁现象所做的定性的解释发展成为定量的数学形式的基础上，提出了“涡旋电场”和“位移电流”的假说，并建立了著名的麦克斯韦电磁场的基本方程组，从理论上阐明了电磁波和光波有共同的特征，并以光速在空间传播。这是一个极其卓越的理论成果。 但是，直到1887年赫兹接收到电磁振荡源放电而发出的电磁波，并且作了电磁波的反射、折射、衍射和偏振等实验，并且测出电磁波的传播速度与光速为同一数量级以后，才从实验上证实了麦克斯韦的全部假说，使麦克斯韦的电磁理论开始成为科学理论。 6、实验—理论—实验……是物理学发展的基本道路 从物理学各个分支的发展过程都可以看到，先从某些物理现象或实验事实开始，或是受到某些