物理学史-实验和实验室在物理学发展中的地位和作用.ppt

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编号:20190306102418926513    类型:共享资源    大小:501.50KB    格式:PPT    上传时间:2019-07-17
  
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物理学 实验 实验室 发展 中的 地位 作用
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实验和实验室在物理学发展中的地位和作用,实验在物理学发展中的和作用,实验室在物理学发展中的地位,实验在物理学发展中的和作用,物理学是以实验为本的科学。在物理学的发展中, 实验起了重要作用。它是人们根据研究的目的, 运用科学仪器,人为地控制、创造或纯化某种自然过程, 使之按预期的进程发展,同时在尽可能减少干扰的情况下进行观测, (定性的或定量的), 以探求该自然过程变化规律的一种科学活动。,实验和观察都是搜集事实的科学实践, 但两者有所不同。是不同层次的认识手段, 起着不同的作用,两者不可偏废。,实验和生产劳动也有根本区别。两者都有改造世界的任务, 但目的并不相同。,伽利略的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了重要依据; 库仑通过滑板实验提出摩擦定律; 胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验、波雷里的表面张力实验为物理学提供了新事实和新规律。,在物理学的发展中, 从经典物理学到现代物理学, 著名的物理实验不胜枚举, 从事实验工作的物理学家何止成千上万。他们置身于艰苦的实验研究之中, 为推动物理学的发展努力奋斗。他们的目标是什么? 对物理学的发展起了什么样的推动作用?纵观物理学三百余年的发展史, 可以概括成如下几个方面:,一、发现新事实, 探索新规律,力学,库仑定律的验证、欧姆定律的建立、奥斯特发现电流的磁效应、法拉第发现电解定律和电磁感应现象, 无一不是通过大量实验得出的。,电学,光的干涉、衍射、偏振以及双折射等现象也都是首先在实验中发现的, 这些实验说明了光的波动性; 从色散的研究到光谱学的发展, 实验更是基本的认识途径, 正是这一系列研究把人们带进了原子领域。,力学,19 世纪末, 经典物理学发展到了相当完善的地步, 人们纷纷认为物理学已经到顶了, 以后只是把常数测得再准些, 向小数点后面推进而已。然而, 正是实验的新发现打破了沉闷的空气, 揭示了经典物理学的严重不足。世纪之交的三大发现开拓了新的领域, 把物理学推进到一个新阶段。,物理学有许多分支, 汇合起来组成物理学的主干, 每个分支在其发展之初, 都有大量的实验为之奠基, 各分支在其发展的各个阶段大多有新的实验补充新的事实, 从而使各分支更加充实, 更加全面。这一切说明了: 实验, 只有实验, 才是物理学的基础。,二、检验理论, 判定理论的适用范围,例如: 麦克斯韦的电磁场理论以一组简洁的数学方程概括得十分优美对称, 但当年却难以令人信服。直到二十多年后他预言的电磁波被赫兹的实验证实, 他的学说才成为举世公认的电磁理论基础。,1905年, 爱因斯坦用光电子假说总结了光的微粒说和波动说之间长期的争论,能很好地解释勒纳德的光电效应实验结果但是直到1916年,当密立根以极其严密的实验全面地证实了爱因斯坦的光电方程之后, 光的粒子性才为人们所接受。,同样, 德布罗意的物质波假说也是在实验发现电子衍射之后才得到肯定。,从诺贝尔物理奖的颁发可以看到人们对实验检验的评价,实践是检验理论的客观标准。从表 14-1 可以看出, 一个理论的正确性, 不仅在于它能说明多少现象, 也不仅在于它的自洽性,更重要的是它能否得到实验的肯定, 它所作的预言, 被尔后的实验证实到什么程度。,理论只有一定的适用范围,这个范围往往要靠实验来确定。理论与实验是物理学的两大部分, 相辅相成, 缺一不可。,三、测定常数,例如: 万有引力常数的数值, 自牛顿发现万有引力定律以来, 一直是人们力求测出和测准的对象;光速是测得最准的基本物理常数之一。,常数之间的协调是检验物理理论的重要途径, 从玻尔原子模型理论最初的论证可以找到范例。经这个理论比较不同渠道得到的里德伯常数, 在实验误差范围内基本相符, 说明了理论的自洽性。,四、推广应用, 开拓新领域,不论是蒸汽技术还是电工技术都离不开实验,其中包括许多热学实验、物性学实验和电磁学实验。各种发明创造, 诸如杜瓦瓶、致冷机、电灯、电报等等, 无不是经过大量实验研究才逐渐完善的。,进入二十世纪, 无线电电子学异军突起。从电子管到晶体管,从无线电报到雷达, 科学理论通过实验这一中间环节, 不断起着改造世界的作用, 包括补充和改造科学理论自身。,在物理学工作者中,从事实验的有90%以上。他们工作各个方面,从光谱学到激光技术,从电子显微镜到扫描隧道显微镜,从低温技术到超导研究,无不凝聚了实验物理学家的心血。,实验室在物理学发展中的地位,最早的物理实验往往是在私人住宅中进行的, 研究者经常把自己的住房的一部分当作科学研究的场所。,实验室的早期历史,实验室作为一个进行实验的专门场所或建筑物, 并不是最先从物理学开始的。化学实验室和天文学观测站比物理实验室早得多。,近代化学的奠基人很重视实验室的建设。俄国的罗蒙诺索夫说服了俄国科学院在彼得堡于 1748 年建立了一所装备精良的实验室。著名化学家拉瓦锡( Lavoisier) 于1776—1792 年在巴黎兵工厂建立的实验室装备优良, 对科学界影响较大。,英国另一所著名的实验基地叫英国皇家研究所,原来也是化学实验室, 由伦福德创建于1800年,其宗旨是进行科学知识的普及。众所周知,在这个研究所里, 法拉第以毕生精力研究了各种电化学和电磁现象, 发现了电解定律、电磁感应和磁光效应。,19 世纪的物理实验室,19 世纪初, 法国是实验研究的中心,例如: 以精密量计著称的法国工艺学院( CNAM) 开始是博物馆之类的场所, 1829 年建成实验室。,最早的规模较大的物理实验室要算柏林大学的物理实验室了。它是由马格努斯(H. G. Magnus, 1802—1870) 创建的,由于规模逐渐扩大, 柏林大学给予适当的财政资助, 这所私人实验室转变成大学机构的一部分, 1863 年正式成为柏林大学物理实验室, 是当时世界上屈指可数的一所正规物理实验,柏林大学也因此成为欧洲物理学研究中心之一。,柏林大学物理实验室的成功经验吸引了英国同行的注意, 也开始按德国的模式建立实验室。1846 年, 开尔文被任命为格拉斯哥(Glasgow) 大学物理学教授。,他将讲堂附近一座废弃了的酒窖布置成一个实验室, 。到 1866 年, 这所实验室才正式被大学承认。英国当时还有几所大学建立了物理实验室, 但未纳入正规的物理课程, 也没有规定学生必须参加研究。,待到 19 世纪后期, 牛津大学建立了克拉伦敦(Clarendon) 实验室, 剑桥大学建立了卡文迪什实验室。这两所实验室在世界上都很有名, 其中尤以卡文迪什实验室的影响最大。,物理实验室的典范——卡文迪什实验室,在现化物理学的发展中, 实验室的建设更具有重要意义。卡文迪什实验室作为 20 世纪物理学的发源地之一, 它的经验具有特殊的意义。,卡文迪什实验室相当于英国剑桥大学的物理系。剑桥大学建于1209 年, 历史悠久,与牛津大学遥相对应。卡文迪什实验室创建于1871 年,1874年建成,是当时剑桥大学校长W.卡文迪什(William Cavendish) 私人捐款兴建的(他是 H. 卡文迪什的近亲),这个实验室就取名为卡文迪什实验室。,卡文迪什实验室外景,早期的卡文迪什实验室,第一任实验室主任: 麦克斯韦(1874-1879),第二任实验室主任: 瑞利勋爵(1842-1919),第三任实验室主任: J.J.汤姆孙爵士(1856-1940),第四任实验室主任: 卢瑟福(1919-1937),第五任实验室主任: 劳伦斯.布拉格(1938-1953),第六任实验室主任: 劳伦斯.布拉格(1954-1970),第七任实验室主任: 皮帕德(1971-1982),20世纪世界著名实验室实例,进入二十世纪, 各类物理实验室如雨后春笋, 研究工作广泛开展。下面选取若干有代表性的, 对科学发展起过或正在起重要作用的物理实验室, 分别作些介绍。,第一类是建立在大学里面, 附属于大学的实验室。例如: 一、荷兰的莱顿低温实验室 二、美国加州大学伯克利分校的劳伦斯辐射实验室,第三类实验室直接归属于工业企业部门, 为工业技术的开发与研究服务。其中最著名的有贝尔实验室和 IBM 研究实验室。例如: 六、贝尔实验室 七、IBM 研究实验室,第二类实验室属于国家机构, 有的甚至是国际机构, 由好几个国家联合承办。它们大多从事于基本计量, 高精尖项目, 超大型的研究课题, 和国防军事任务。例如: 三、德国的帝国技术物理研究所( 简称 PTR) 四、英国国家物理实验室( 简称 NPL) 五、欧洲核子研究中心( 简称 CERN),
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