那些神一样的物理实验

关尔东

十大最美物理实验

2002年，美国两位学者在全美物理学家中做了一份调查，请他们提名有史以来最美的十大物理实验。最终的调查结果刊登在了当年9月份的美国《物理世界》杂志上。这十大物理实验大部分都在我们课本中出现过，如伽利略的比萨斜塔实验（排名第二）和斜面实验（排名第八）、牛顿用三棱镜分解太阳光的实验（排名第四）、卡文迪许用扭矩测量万有引力常数的实验（排名第六）、托马斯·杨的双缝干涉实验（排名第五）、罗伯特·密立根测量电子电荷量的油滴实验（排名第三）、卢瑟福的阿尔法粒子散射实验（排名第九）等。

为什么是它们？

十大最美物理实验中，年代最远的是公元前3世纪的埃拉托色尼利用太阳光测量地球圆周的实验（排名第七），年代最近的是1961年前后，根据托马斯·杨的双缝干涉实验原理做的电子干涉实验（排名第一）。而2002年的诺贝尔物理学奖获得者是因为他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，特别是在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙X射线源”方面的成就。对比之下，你一定很疑惑，为什么在物理学已经迅猛发展的21世纪，反而是这十个看似很初级的实验获得了物理学家们的推崇？

物理学家们给出了他们的理由：这些实验都紧紧抓住了物理学家眼中最美丽的“科学之魂”——用最简单的仪器设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，解除人们长久的困惑，开辟了人们对自然界的崭新认识。比如，一个简单的双缝干涉实验就能证明光具有波动性，而不仅仅是牛顿认为的光是一种微粒。把光的双缝干涉实验原理迁移到电子干涉中，同样也证明了电子具有波动性，完全颠覆了人们认为电子仅仅是一种粒子的传统观念。

看到这，请你翻开你的课本，像物理学家一样欣赏那些曾被我们视为寻常的经典实验吧！相信我，物理不仅仅是那些题目，它既极致简单又深邃宽厚。了解越深，你就会越为它而着迷。

神庙里的神设计

上述实验在课本中大多有较为详细的介绍，而排名第十的傅科摆实验在人教版高中物理课本中，仅仅是以插图的形式出现在选修3-4第14页。如果就这样与傅科摆实验擦肩而过，你真的是错过了科学史中极为酷炫的一幕！

豪奢实验室：巴黎万神殿

巴黎万神殿，也称为巴黎先贤祠，为法国国王路易十五所建，1790年竣工，现为法国历代名人的长眠之地。

走进万神殿的地下室，首先看到的两座墓分别属于伟大的哲学家伏尔泰和卢梭。居里夫妇、雨果、布莱叶、左拉、大仲马等人的墓也在地下室里。大多数坟墓都非常简朴，只是狭小石室内的一具石棺。虽然到处是棺木，但气氛并不阴森，漫步其间，甚至能感受到先贤们伟大的灵魂。

万神殿的地上建筑平面呈希腊十字形，长100m，宽84m，高83m。设计非常大胆，柱细墙薄，加上上部巨大的采光窗和雕饰精美的柱头，室内空间显得非常轻快优雅。或许正因为如此，这里被科学家傅科选为他的实验室。

简单原理：当单摆摆动时，在没有外力的作用下，摆球将保持固定的摆动方向。如果地球在转动，那么单摆下方的地面旋转，而悬在空中的摆球具有保持原来摆动方向的惯性，对于地面观察者来说，摆球的摆动方向将会相对于地面发生变化。

霸气器材：超大型单摆——摆长为67m的单摆，摆锤为直径30cm、重28kg的铁球，铁球下面带有铁笔，下面放一个直径6m的沙盘。（摆球运动方向的改变是细微的，因此需要足够长的摆长，才能观察到足够明显的实验效果。沙盘可记录摆球的摆动方向）

眼见为实：1851年，傅科进行了著名的傅科摆实验。他将上述单摆悬挂在巴黎万神殿圆屋顶的中央，使它可以在任何方向自由摆动。当人们亲眼看到单摆每振动一次（周期为16.5s），摆尖在沙盘边沿画出的路线移动约3mm，每小时偏转11°20′（31小时47分回到原处）时，许多人目瞪口呆，有人甚至在久久凝视后说：“确实觉得自己脚底下的地球在转动！”

酷炫结果：傅科摆实验是地球自转的最好证明。傅科也由此被当时的法国政府授予荣誉骑士五级勋章。

傅科的实验还在全世界引发了一股追风热潮。各地的人们纷纷效仿傅科，用长长的钟摆来揭示地球的自转。人们发现，在地球的两极，傅科摆的摆动平面24小时转一圈；而在赤道上，傅科摆没有方向旋转的现象；在两极与赤道之间的区域，傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。

至今，巴黎万神殿正中央依然保留着160多年前傅科摆实验所用的沙盘和标尺。不仅仅是在巴黎，在世界各地你都可以看到傅科摆的身影，例如，你可以在北京天文馆看到一个傅科摆的复制品。

实在是太震撼了，还是做一道高考题来压压惊吧！

高考题中的最美实验

（2013·全国新课标卷Ⅰ）如图是伽利略1604年做斜面实验时的一页手稿照片，照片左上角的三列数据如下表。表中第二列是时间，第三列是物体沿斜面运动的距离，第一列是伽利略在分析实验数据时添加的。根据表中的数据，伽利略可以得出的结论是（ ）

1 1 32

4 2 130

9 3 298

16 4 526

25 5 824

36 6 1192

49 7 1600

64 8 2104

A.物体具有惯性

B.斜面倾角一定时，加速度与质量无关

C.物体运动的距离与时间的平方成正比

D.物体运动的加速度与重力加速度成正比

解析：从表格中的数据可知，时间变为原来的2倍，下滑的距离大约变为原来的4倍；时间变为原来的3倍，距离变为原来的9倍，可知物体运动的距离与时间的平方成正比。

答案：C

伟大的拉瓦锡

拉瓦锡（1743年8月26日至1794年5月8日），法国贵族，著名化学家、生物学家，被后世尊称为“近代化学之父”。

拉瓦锡出身于富有的贵族家庭。在按家族传统攻读到律师文凭之后，他选择走上了科学研究的道路。

他使化学从定性转为定量，给出了氧与氢的命名，并且预测了硅的存在。

他提出了“元素”的定义，于1789年发表的第一个现代化学元素列表，就是根据他的定义列出的。不过这个跟大家背的那个门捷列夫元素周期表不一样。这个表里只有33种元素，其中包括光与热和一些当时被认为是元素的化合物。

他提出规范的化学命名法，撰写了第一部真正现代化学教科书《化学基本论述》。

他倡导和改进定量分析方法，并用其验证了质量守恒定律。

他创立氧化说以解释燃烧等实验现象，指出动物的呼吸实质上是缓慢氧化。

……

这些工作，特别是他所提出的新观念、新理论、新思想，为近代化学的发展奠定了重要的基础。拉瓦锡之于化学，犹如牛顿之于物理学。

军功章的一半属于她

以上是为我们所熟知的化学家拉瓦锡，同样为我们所熟知的是化学教科书上的这张插图：

可是……拉瓦锡老师你在记录实验数据对不对？在研究空气的成分对不对？？做实验要专注对不对？？？这个眼神怎么如此的不走心？！那个方向有啥比空气成分更重要的东西吗？！

你别说还真有。让我们来看看原图长啥样：

这就情有可原了。美丽的老婆大人在身边倚着，who还care什么空气成分？

这张肖像画是大名鼎鼎的画家雅克·路易·大卫创作于1788年，现收藏于大都会美术馆。我们对比一下化学教科书的配图就会发现，书上的配图不仅把拉瓦锡夫人裁掉了，还无情地涂黑了夫人的玉手。这样真的好吗？

要知道，拉瓦锡夫人是拉瓦锡最为得力的助手。她是优秀的文献翻译，把资料从英文翻译成法文，其中包括约瑟夫·普利斯特里和亨利·卡文迪什的著作，拉瓦锡的研究离不开她翻译的文献，推翻燃素学说也是得益于她的工作。除此之外，夫人还保存着拉瓦锡的实验记录，在她去世之前，几乎能够还原出拉瓦锡全部的实验笔记和仪器。军功章有拉瓦锡的一半也有夫人的一半，教科书你随便把人家涂掉真的好吗？！

悲剧就是把美好的东西毁灭给人看

法国大革命爆发后，由于他人的陷害，1794年5月8日拉瓦锡被定罪，并在当天与其他27个税务官一起被推上断头台。

著名的法籍意大利数学家拉格朗日曾痛心地说：“他们可以一瞬间把他的头割下，而他那样的头脑一百年也许长不出一个来。”

拉瓦锡夫人虽然免于一死，但是新政府没收了她的全部财产，这还不算，所有的实验手记和设备也被通通收走。拉瓦锡夫人经历了这样一场劫难，几乎一无所有。但即使这样，她依旧克服了诸多磨难，坚持出版了拉瓦锡的回忆录。回忆录里记录着拉瓦锡和他的同事们十分宝贵的研究成果：液体的形成、有关热量的研究、水的组成，等等。是她的不懈努力，让自己爱人在化学领域那些伟大的研究成果在科学史上大放异彩。

彩蛋在此！

虽然拉瓦锡夫妇没能同年同月同日生，也没能同年同月同日死。

虽然化学教科书压根就没让拉瓦锡夫人露面，但是——