趣談物理課本中的重大觀察和實驗

劉遠輝 張宇

(哈爾濱師范大學附屬中學 黑龍江 哈爾濱 150080)

物理學是一門以觀察和實驗為基礎的科學.縱觀物理學發展，觀察和實驗始終都發揮著不可替代的作用.著名物理學家法拉第就曾說：“沒有觀察就沒有科學，科學發現誕生于仔細觀察之中”.量子力學開創者之一普朗克也感嘆：“物理定律不能單靠‘思維’來獲得，還應致力于觀察和實驗.”

在中學物理教學中穿插介紹物理學發展歷程中的一些重大觀察和實驗，有利于強化學生對物理觀察和實驗的重要性認識，有利于激發學生學習物理的興趣，有助于提升學生的物理學科核心素養[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實驗史實.本文在教材基礎上加以梳理并做簡要補充.

仔細品味，教材上提供的這些有趣的觀察或實驗可分為如下幾類情況.

1 從現象中發現異常引發新發現

在自然科學領域，科學研究會經常遇到異常情況.有的異常可能只是尋常干擾導致，而有的異常卻可以啟發研究者獲得新發現.能否合理評判異常情況，考驗著科學家的專業水平和專業敏感[2].

1.1 事例——中微子的發現

《選擇性必修三》第三章第3節,課本內容中簡述了中微子的發現.

1896年法國的貝克勒爾發現了天然放射現象.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，卻發現了在放射β射線過程中存在“總能量不守恒”的“異常”情況！許多物理學家都無法對此“異常”給出圓滿解釋，就連當時的量子物理權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家泡利預言：在該過程中有一種從未發現過的未知粒子“竊取”了一部分能量，才導致所謂的“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幾乎不和其他物質發生作用，因而極難被觀測到.1941年，我國物理學家王淦昌寫了一篇題為《關于探測中微子的一個建議》的文章，發表在1942年美國的《物理評論》雜志上.人們很快根據這個方案用實驗證實了中微子的存在.中微子的發現起始于β衰變中的“能量不守恒”這個所謂的“異常”現象.

1.2 類似事例

(1)海王星的發現(《必修二》第七章第3節).

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

(3)重整化理論的建立(《選擇性必修三》第五章第5節).

2 先提出新理論后由他人通過觀察或實驗給以驗證

實驗是檢驗理論正確與否的標準，愛因斯坦說：“一個矛盾的實驗結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.在物理學理論中,有一類是由某位物理學家首先提出并作出一定預言,后由他人通過觀察或實驗給以驗證的.

2.1 事例——德布羅意的物質波理論

光電效應和康普頓效應充分體現了光的粒子性，這引發了法國人德布羅意的思考：人們一度確信光是波動，但現在又確定光還具有粒子性，那么，原本那些一直被當做粒子的物質，是不是也應該具有波動性呢？經過研究，德布羅意在1924年的博士論文里詳細闡述了他的物質波(也稱德布羅意波)理論：任何一個運動著的物體，小到電子、質子，大到行星、太陽，都有一種波與它對應，人們把這種波稱為物質波，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現電子衍射現象.這個實驗為物質波理論提供了堅實的基礎.由此，德布羅意獲得1929年的諾貝爾物理學獎，戴維孫和G.P.湯姆孫也分別獲得了1933年和1937年的諾貝爾物理學獎.

2.2 類似事例

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

(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，吳健雄領導的小組在鈷 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).

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.物理學史上，不乏這樣的經典故事.

3.1 事例——密立根的光電效應實驗

《選擇性必修三》第四章第2節課本內容介紹了光電效應的重大發現.

為解釋光電效應的實驗規律，偉大的物理學家愛因斯坦于1905年提出了光子說，并給出光電效應方程Ekm=hν-W0.但是，當時許多主流的科學家都不認可這個假說，美國實驗物理學家密立根就是其中的一員.為了推翻愛因斯坦的假說，密立根設計了精確的實驗，最終利用實驗數據畫出了光電子最大初動能Ekm與入射光頻率ν的函數圖線.結果出現了戲劇性的反轉：密立根發現圖線的斜率正好等于普朗克在解釋黑體輻射規律時給出的普朗克常數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態度，轉而成為愛因斯坦的支持者.這種科學精神值得學習.

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.

4 通過對前人實驗裝置的改進 完成別人沒有完成的發現

對于物理學發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.由于學術間的交流，他們在實驗研究思路上也往往是相似的.這種情況下，那些能夠對實驗方案或實驗裝置做到巧妙的、合理的改進，從而克服別人解決不了的困難的科學家往往拔得頭籌，取得實驗研究上的突破.

4.1 事例——湯姆孫發現電子

《選擇性必修三》第四章第3節內容中記載了湯姆孫發現電子的過程.

19世紀70年代陰極射線被發現.現在我們已經知道這種射線本質是電子流.但在當時關于陰極射線的本性存在兩種觀點：一種觀點認為該射線是電磁波；另一種觀點認為是帶電粒子流.兩派觀點分別得到當時的一些頂級物理學家的支持.其實，當時的物理學家都知道：只要證明陰極射線可以被磁場和電場所偏轉，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.但是赫茲和他的學生勒納德由于在實驗中沒有發現陰極射線被電場偏轉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，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動產生了很大影響造成了電子的偏轉不明顯.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作用，射線的表現與帶負電粒子的行為完全相同.這就使人們確信陰極射線是帶負電的粒子流(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行改進，從而獲得了該射線粒子比較全面而準確的信息，所以湯姆孫被公認為是最先發現電子的人.

4.2 類似事例

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

(2)光電效應實驗中，許多科學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動的剃刀，當需要開始實驗的時候，就轉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).

除以上幾類有趣的觀察或實驗外，還有非常經典的“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部的原子點陣結構，被愛因斯坦譽為物理學中最美的實驗(《選擇性必修一》第四章第5節).

總之，我們之所以說這些觀察或實驗“有趣”，是因為它們閃耀著一代代物理學家們智慧的光輝，處處散發著無窮的魅力.在教學中適當拓展介紹這些經典事跡，無疑會讓學生更加愛上物理學.