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著名的比萨斜塔实验伽利略并没做过泊松亮斑 摄影 徐斌记者 张娜 徐斌昨天下午，超级兴趣班物理兴趣小组举行第二次活动，杭二中的物理高级教师赵初蓓讲物理学经典小故事。天气冷，交通不太方便，但小朋友来得并不少。从幼儿园大班到初二学生，年龄跨度很大。赵老师讲得深入浅出，孩子和家长都听得兴致勃勃。一到做实验，孩子就围上去，课堂很热闹。赵老师问，你觉得自然界最大的东西是什么？有人说是宇宙。那最小的是什么？一个男孩说是原子。“对，从宇宙空间到微观粒子，空间尺度上从最大到最小的，都是物理学的研究范畴。物理学的研究范围很广，甚至被称为万物之理都不为过。”赵老师接着说，“或从时间尺度看，早至宇宙的起源：宇宙大爆炸、宇宙怎么来的、宇宙的中心是什么，晚至遥远的将来，这些都是物理学研究的内容。今天选了一些有代表性的物理学小故事，我给同学们讲一讲。”什么因素决定下落物体的快慢赵老师提问：什么因素决定一个下落物体的快慢？小朋友回答很多：质量、地心引力、重量、牛顿稍作讨论后，意见集中在物体质量上，赵老师要做两个现场对比实验。一：赵老师左手拿一截粉笔，右手拿一张纸，同时从同一高度放掉，粉笔先落地，孩子们都没有疑问；二：赵老师拿起两张一样的纸，其中一张揉成团，再同时放掉，纸团先落地，不少小朋友疑惑了，有个男生说：两张纸质量一样，但揉成团的受到的阻力小所以下落快。赵老师表扬了他。“古人（代表人物亚里士多德）一直认为重的东西落得快，轻的东西落得慢，这个错误认识一直延续了两千多年。一直到16世纪末，伽利略表示了怀疑。他说我现在拿两块石头，一块重，下落速度为8，一块轻，下落速度是4，两块石头绑在一起，按理说轻石头会拖慢重石头的速度，那两块石头的下降速度一定比8小，但是按照质量决定速度的理论，这两块石头不是会下降得更快吗？自相矛盾。”赵老师说，伽利略一个简单小推理，就破除了这个错误理论。著名的比萨斜塔落体实验伽利略没有做过伽利略认为重物与轻物应该下落得同样快。他要进一步通过实验研究落体的规律。他做了什么实验呢？赵老师说到这里，小朋友都叫起来，说“比萨斜塔实验”。六年级男孩李子越，回答专业：这是一个很著名的实验，伽利略拿了一个空心球和一个实心球，站在比萨斜塔顶上同时抛下，两球落地时间一样。 赵老师笑笑说：“说得不错，但这只是个美丽的传闻。经后来人严谨考证，证明伽利略并没有在此做过落体实验。尽管如此，世界各地的人们还会去参观，他们把这座古塔看做伽利略的纪念碑。伽利略做了著名的斜面实验。落体下落得很快，而当时只能靠滴水计时，这样的计时工具还不能测量竖直下落所用的时间。伽利略采用了一个巧妙的办法，他让铜球沿阻力很小的斜面滚下，小球在斜面上所用的时间长得多，所以容易测量。伽利略做了上百次实验，得出非常著名的落体定律：物体下落的时间和质量无关，平时看到较重的物体下落快，是因为空气阻力对不同物体有不同的影响，如果没有空气阻力，所有物体将下落得一样快。爸妈打孩子 自己手也痛这是牛顿第三定律动力学奠基者是牛顿，小朋友都知道。他的功绩包括地心引力、牛顿第一、第二、第三定律，还有太阳的光谱，数学上发明微积分。这些理论大家不用很明白，生活中有实例。比如一辆小车和一辆卡车，同时起步同时刹车，小车停得快，卡车停得慢，是因为惯性（牛顿第一定律），物体自身质量大惯性则大，物体自身质量小惯性则小。有小朋友不听话被爸妈打过，你的屁股疼，爸妈的手也疼，这就是牛顿第三定律：作用力和反作用力。说到牛顿，不能不说著名的苹果落地故事。那天很热，牛顿在母亲的农场里干活，中午他坐在一棵苹果树下思考行星运动问题，一个熟透了的苹果在他眼前落下，使他想到促使苹果落地的重力，是不是也是促使月亮保持在它的轨道上而不掉下来的原因。这个故事是牛顿的第一位传记作者写的，当时就传开了，真假无从考证。但重要的是，牛顿确实想到过重力既支配苹果的下落，也支配月亮的旋转。海王星是通过计算发现的太阳系一共几大行星？本来是九大行星，现在是八大行星，因为制定的规范有变化。离我们最远的是海王星和冥王星，但在18世纪，才发现第七大行星天王星。有科学家发现问题：观测到的天王星轨道和用万有引力定律计算的轨道不一致，是不是万有引力错了？当时就形成了两派科学家：相信牛顿的、怀疑牛顿的。有位坚信万有引力定律正确的科学家想到，是不是天王星外还有星球对天王星有吸引，导致它的轨道和计算结果有偏差。后有两位科学家用万有引力定律计算后，认为天王星外应该还有一颗新行星。后来真的观测到这颗新行星，就是海王星。因为先在纸上计算出海王星，后才观测到，所以海王星被称为“笔尖下发现的行星”。到今天，数千颗人造卫星按照万有引力定律为它们“设定”的轨道绕地球运转。1968年，阿波罗8号从月球返航途中，当地面控制中心问“是谁在驾驶”的时候，指令长这样幽默地回答：“我想现在是牛顿在驾驶。”泊松亮斑人类用科学思维认识世界，其实只是一直想弄明白几个问题。牛顿时代，人们想弄清动和静的关系，运动到底需不需要力来维持？中世纪以来，天和地的争论很多，宇宙的中心在哪里？天体如何运动的？而关于光，也有粒子和波的争论。赵老师提问：你认为光是什么？小朋友答案五花八门：波、物质、东西、速度很快摸不着、是空气赵老师说，小朋友的想法都很好，就像一群思考的科学家。光到底是什么？小朋友们可以在高中学到。在关于光是什么的争论过程中，有一个非常不可思议的实验，也是一个有趣的小故事，可以讲一讲。现场实验：一台激光发射器，一个放大镜（用来扩大光束），一个金属小圆盘。小朋友都认为如果光照到小圆盘，会在墙壁上看到圆盘的黑影子，而圆盘中间会最黑，因为光照不到。灯关掉，小朋友却在圆盘黑影中间看见一个亮点，现场一下子热闹起来，小朋友都围上去，看个究竟。为什么这样？赵老师揭秘：这就是泊松亮斑！这是光学上非常出人意料的一个实验。所以说，科学不能想当然，眼见不一定为实，一定要把严密的推理和实验挂钩。1818年，法国巴黎科学院为鼓励对衍射问题的研究，悬赏征集这方面的论文。一位年轻物理学家菲涅耳按照波动说深入研究光的衍射，在论文中提出了严密解决衍射问题的数学方法。另一位科学家泊松，是光的波动说的反对者，他按照菲涅耳的理论计算了光在圆盘后的影的问题，发现在适当的距离上，影的中心会出现一个亮斑！泊松认为这是非常荒谬可笑的，并认为这样驳倒了光的波动说。但是，竞赛关键时刻，评委阿拉果（也是科学家）在实验中观察到了亮斑，这样泊松的计算反而支持了光的波动说。后人为了纪念这个有意义的事，把这个亮斑称为泊松亮斑。思考题怎样分辨白开水和浓盐水？上节课后，赵老师给小朋友布置了一道思考题，具体内容如下：父母准备三个矿泉水瓶，两瓶装上水，另一瓶装上浓盐水。外表看来，它们都是无色透明的，请依照以下规定把那瓶浓盐水找出来，并说明理由。步骤一：不可以碰到瓶子，也不可以摇晃桌子，其他就随你了，所有材料、方法都可以用。步骤二：可以拿瓶子，但不可以打开瓶盖，不可以破坏瓶子，前面用过的方法也不可以用，其他就随你了，所有材料、方法都可以用。步骤三：可以打开盖子，但不可以用手去摸、鼻子去闻、舌头去尝，前面用过的方法也不可以再用，其他就随你了，所有材料、方法都可以用。步骤四：现在已经没有限制了，只要前面没用过的绝招，都尽管使出来。孩子们的回答不多，比较集中的是：放在阳光下，把水蒸发出来，盐就出来了。这次上课，赵老师揭晓了答案：步骤一：拿一把尺子，横放在水后面，透过瓶子看，浓盐水的那一瓶尺