改变世界的实验——实验与发现馆

**章 力学实验 尽管我们看不见，但是我们无时无刻不在受到力的作用。力学与我们的生活息息相关，人类对力学现象的关注和运用历史十分悠久。古人们很早就懂得运用杠杆、滑轮、斜面等工具从事生产劳动。力学之父一古希腊的阿基米德有句流传甚广的名言，“给我一个支点，我就能撬起整个地球”，这其实是杠杆原理的体现。阿基米德进而提出了静力学的基本原理，初步奠定了静力学的基础。而成书于春秋战国时期的《墨经》里也记载了许多力学知识。无论是东方还是西方，人们在对自然现象的观察和生产劳动中提炼、总结了力学知识。虽然这些力学知识未能形成体系，但是它们奠定了力学发展的基础。 16世纪后，在航海、生产等现实需要的推动下，力学研究开始形成体系。尤其是对天体的研究得到快速发展，哥白尼的“日心说”、开普勒的行星运动三大定律促进了天文学的发展。16～17世纪，以伽利略为代表的物理学家通过多次实验总结出了落体定律。随后，牛顿在综合天体的运动规律和地面实验研究成果的基础上，提出了牛顿三大律和万有引力定律。伯努利、拉格朗日、达朗贝尔等在牛顿力学的基础上进一步探究，并发展形成了流体力学、弹性力学和分析力学等分支学科。18世纪时，力学已经成为当时自然科学中的领先学科，较为成熟。 如何证明地球在自转？ 古时候，人们从对日、月运行的观察中了解了一些简单的运动规律。但是由于缺乏足够的观察工具，古人认为地球是宇宙的中心，“地心说”在当时被广泛接受并且成为神圣不可侵犯的真理。随着天文观测精确度的提高，“地心说”逐渐露出破绽。文艺复兴时期的波兰天文学家哥白尼有一天突发奇想，如果地球是运行着的，那么在一颗运行着的行星上观察其他行星的运行会是什么样的？接下来很长的一段时间里，哥白尼坚持在不同的时间、地球上不同位置观察行星，他发现每一颗行星上在不同的观察条件下运行情况都不相同，由此他意识到地球并非位于宇宙的中心，如果地球不是宇宙的中心，那么宇宙的中心就是太阳。哥白尼的“日心说”提出以后，地球自转逐渐被人们接受。尽管我们现在都知道地球处于自转的状态，但是要如何才能证明地球是真的在自转？ 法国的物理学家傅科通过一个简单的实验证明了地球自转的事实。他设想，若地球在自转，那么除赤道以外的地方，单摆的振动面会发生旋转的现象，他根据这个设想设计了一个实验。1851年，他在巴黎先贤祠的大厅里展示了这个实验。傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条长达67米的绳索，之所以要选择这么长的绳索是因为地球转动的速度较慢，较长的摆线有助于显示出轨迹的差异。在绳索的下方挂有一个重达28千克的摆锤。选择这么重的摆锤是为了尽可能降低空气阻力的影响。除此之外，还要尽可能减小悬挂点的摩擦力，且悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动。在摆锤下方设有一个巨大的沙盘，用来记录摆锤的运动轨迹。 按照惯性定律，摆锤在没有受到其他外力作用的情况下，摆动方向不会发生变化，因此摆锤会在沙盘上面画出**一条轨迹。实验当天，大厅聚集了非常多围观的人，他们惊奇地发现，摆锤一开始在自己眼前，荡回去后经过一段时间竟离自己越来越远。每经过一个周期（周期为16.5秒），沙盘上的轨迹都有所偏离，摆尖相邻两次在沙盘边沿所画出的轨迹相距约3毫米，每小时偏转11°20’。许多人对此感到非常震惊，甚至发出了“地球真的是在转动啊”的感叹。 在这个实验中，摆锤并没有受到外力作用，但是摆动方向发生了变化，这种变化是摆锤所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，因此证明了地球在自转。后来傅科又在不同地点进行了同样的实验，他发现不同地点的旋转周期不同，而且南北半球的观察者看到的旋转方向也不同，北半球的观察者可以看到，摆锤的平面沿顺时针方向转动，因此说明地球呈逆时针方向自转。 更多傅科摆实验自容，请扫右侧二料讀 永动机可以制成吗？ 虽然我们不曾见过真正意义上的永动机，但是我们对它并不感到陌生。曾经在很长的一段时间里，永动机受到了热烈的讨论。许多人试图制造出这种机械，达 芬奇也曾做过此尝试。但遗憾的是，他们的尝试无一不以失败告终。永动机之所以不可能实现，是因为它违反了自然界*普遍的一个规律一能量守恒定律。 我们都知道，要使汽车动起来需要给它加油或者充电，给予它能量，在行驶过程中，将能量转换为动能。人类对各种能源，不管是传统的石油、煤，还是太阳能、核能、风能等新能源的利用，都是通过能量转换来实现的。在转换的过程中，能量是守恒的，即能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体传递给另一个物体，或者在不同能量的形式之间互相转换。能量守恒定律的发现是一种偶然，也是一种必然。 19世纪40年代前后，欧洲的科学界普遍流行一种“联系”的观点。许多科学家在这种思想指导下，分别通过不同途径，各自独立地发现了能量守恒原理。其中*具影响力的是英国著名的物理学家焦耳。焦耳16岁时得到了著名科学家道尔顿教授的指导，这极大地激励了他的学习兴趣。当时电机刚出现，他便观察到了电机和电路中的发热现象。1843年，焦耳进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，通过实验得出了结论：“自然界的能量是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能量的一种形式。”而后他在实验中领悟到热和机械功之间可以互相转换，并且他相信这种转换存在一定的当量关系。为了说明这种转换关系，他先后进行了400多次实验，以精确的数据为能量守恒定律提供了实验证明。 能量轨道实验很好地展示了能量守恒定律。小球在光滑轨道运动过程中动能和势能相互转换，总能量保持不变。 共振现象 弹簧在我们的生活中随处可见，当我们在弹簧末端挂上一个质量为m的物块，并将弹簧悬挂起来时，就构成了一个弹簧摆。当弹簧的长度/、物块质量m、弹簧刚度系数表示弹簧伸长或压缩产生单位变形量所需载荷的大小）相适合时，在垂直方向拉一下弹簧摆，就会发现一个有趣的现象：弹簧一开始作竖直方向的来回振动，然后它的振幅开始会逐渐减小，并同时左右摆动，且摆动幅度越来越大，从振动转变为摆动。随后，摆动又转换成振动，反复变换。 为什么弹簧摆会出现如此神奇的运动轨迹呢？原来，摆长/、物块质量m、刚度系数k成一定比例时，可以使得摆动周期与振子振荡周期