发布时间 : 星期四 文章自然辩证法课程教学案例 - 图文更新完毕开始阅读ae55062e58fb770bf78a5520
频率，P是被光所照射的金属特性质有关的常数。爱因斯坦提出这个光量子假说和光电方程，与麦克斯韦的电磁学理论相冲突，被许多伟大的、一流的物理学家（包括普朗克、劳厄（M.von Laue）等）认为是奇谈怪论。
（1）请结合本案例论述科学史上的反常问题与科学理论创新之间的关系。（15分）
密立根的光电效应实验
爱因斯坦的光量子理论遭到了许多伟大的物理学的冷落。一方面的原因是物理学家坚持认为麦克斯韦的电磁学理论不可能有错，新理论不能与之相冲突；另一方面是他提出的遏止电压与频率成正比的线性关系，并没有直接的实验依据。而测量不同频率下纯粹由光辐射引起的微弱电流是一件十分困难的事。
直到1916年才由美国科学家密立根（Robert Millikan,1868-1953年）作出了全面的验证。他的实验非常出色，主要是排除了表面接触的电位差、氧化膜的影响，获得了比较好的单色光。他选取了三种逸出功较低的材料——Na,K,Li（均为碱金属）作为光的阴极，
置于特制的真空管中，分别接受光的照射，同时测其光电流，如图7-5。
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图7-6和图7-7是密立根1916年发表的两张曲线图。图7-6给出了6种频率的单色光（对 应于汞的6根谱线）照射下的光电流曲线，由此所得的遏止电压值与对应的频率得到图7-7中的直线。从直线的斜率求出普朗克常数h=6.56×10焦耳·秒，与普朗克1900年从黑体辐射求得的结果符合甚好。爱因斯坦对密立根的光电效应实验作了高度的评价：“我感激密立根关于光电效应的研究，它第一次判决性地证明了在光的影响下电子从固体发射与光的振动周期有关，这一量子论的结果是辐射的粒子结构所特有的性质。”
密立根因此获得1923年的诺贝尔物理学奖。他在颁奖演说中公开承认自己曾对爱因斯坦的光电方程抱怀疑态度：“经过十年之久的实验、改进和学习，有时甚至遇到挫折，在这之后，我把一切努力从一开头就针对光电子发射能量的精密测量，测量它随温度、波长、材料（接触电动势）改变的函数不清关系。与我自己预料的相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数h。”
密立根并不讳言，他在做光电效应实验时，本来的目的是希望证明经典理论的正确性，甚至在他宣布证实了光电方程时，他还声称要肯定爱因斯坦的光量子理论还为时过早。
请回答：理论科学研究与实验科学研究二者是何种关系？（15分）
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玻义耳定律
玻义耳从他的抽气机(或称“新式气体引擎”)实验中领悟到， 空气具有“弹性”。他揣测，空气含有这样的成分，它们在上层大气的重量或者别种压力的作用下会弯曲或者压缩；而当上述压力去除后，这压缩的空气又能恢复它原先的体积，他关于这个问题的思想和实验完整地记录在他的著作《主要在新式气体引擎中做的 关于空气弹性及其效应的物理一力学新实验》(New Experiments
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Physico-Mechanicall Touching the Spring of the Air and its Effects， Made for the most part in a New Pneumatical Engine)(牛津，1660年)之中。他对关于空气“弹性”)的思想解释如下：
“这个观念也许可以得到进一步的解释，如果把接近地面的空气想象成如同羊毛那样层层重迭起来的细小物体的堆积的话。因为羊毛(不计它们之间的其他相似之处)由许多纤细而又柔软灵巧的绒毛组成；每根绒毛实际上都象一个细小的弹簧那样，易于卷起和弯曲；但它们也象弹簧一样力图再伸直。因为，尽管我们加以类比的绒毛和空气微粒都容易屈服于外部的压力，但两者(由于它们的结构)又都具有一种自身膨胀的本领或者说本能”(上引著作， p．23；Works，ed．1772，V01．I，p．11。
玻义耳知道笛卡尔曾提出过一种不同的解释，但是玻义耳觉得自己的说法比较简易，尽管他并不想给它们分个高低。此外，他的目的(据他自己说)是要去证明，而不是解释空气的“弹性”；他的实验夫都是为了这个目的。
在有个实验中，玻义耳取了一只羊的膀胱，部分地充气，在颈项处牢牢扎紧，然后把它放到他的抽气机的容器中。随着容器抽空，膀胱膨胀起来，犹如它被吹胀似的；而当空气重新进入容器时，这膀胱重又瘪下毒。为了证明这个现象是由被密闭的空气的“弹性”所引起的，玻义耳表明了，另外两只膀胱没有显示出这种现象；其中一只把空气全部抽光且在颈项处扎紧；另一只有空气，但只有在第一只膀胱里之前有的空气的五分之一，而且也没有在颈项处扎紧。另外一些扎紧的膀胱则当容器抽空到足够程度时，便发生爆裂。这些结果表明空气具有“弹性”。 然而，玻义耳认为，他的“引擎”的“主要成果”是“实验17”。他‘知道，在托里拆利的实验中，倒置在水银中的一个密闭管子中的水银的高度保持在水银面以上27格的地方；他认为，如果水银保持在这个高度上仅仅是因为“在这个高度上，管子中的水银柱同从水银面到大气顶端的空气柱相平衡”(上引著作，p．106；Works，ed． 1772，V01．I，p．33)，那么，倘若这实验能够排除大气地重做，则管子中的水银将会下降，和该管倒置于其中的敞开容器中的水银一样高，因为这时将没有空气压力阻挡管子中水银的重量。如果在他的“引擎”中能够做这样的实验，则他预期，水银的降落将同空气的抽出成比例。于是，把一个一端封闭的玻璃管充入水银，倒置于一个盛有水银的容器之中，然后再放在抽气
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机的接受器里。该管的上端通过该接受器的用粘接剂密封的盖子上的一个孔。一当抽气开始，水银便如预期的那样下降，抽气机每抽一次，水银下降的幅度就减小一些。然而，管内水银柱不能降到与外面的水银面齐高，而总要高出一英寸。玻义耳把这个差归因于漏入空气。这个证据使玻义耳确信，一个密闭管子中的水银柱所以处于一定高度，是由于水银压力和外部空气压力相平衡所致。这个实验曾当着一些人的面重做过，他们是“那些出色的和当之无愧的著名数学教授沃利斯博士、沃德博士和雷恩先生??，他们推测，管子中水银的顶端限制在容器中水银面上一英寸之内”(上引著作，pp．111，112； Works，ed．1772，V01．I，p．34)。玻义耳还发现，用抽气机把更多的空气压入接受器，水银“将上升到大大超过27格的惯常高度，而一当这部分空气放掉，它便又将下降到先前所处的高度”(上引著作， p．119；Works，ed．1772，V01．I，p．36)。 在另一个实验中，玻义耳试图秤量空气的重量。他吹制了一个和“小鸡蛋差不多大”的玻璃泡，密封入“尽可能不弄稀疏的空气”。再把它放到玻义耳的“精密天平”的一个秤盘上，用一块铅与它平衡。然后，把这整个装置放入抽气机的接受器中。装有玻璃；泡的秤盘子就下降，且随着抽气的进行，下降更增加。一当让空气再进入，原来的平衡便又恢复；这时，在装有铅块的秤盘中加上一个3/4谷的砝码，再重做实验。随着不断抽去空气，横梁最后达到水平位置；但当给铅块再加上1/4谷时，这个位置就不再能达到。玻义耳估计，泡中空气的重量“超过1谷”，从而认识到空气没有完全抽尽。他又用没有封闭的玻璃泡重做了这个实验，发现在这种情况下，当抽去空气时，玻璃泡的重量不会超过铅——“因此，借助我们的引擎，我们能够象秤其他物体一样地秤量自然密度或者说通常密度而丝毫没有浓缩的空气”(上引著作，p．275；Works，ed． 1772，V01．I，p．82)。可惜的是，当把这个玻璃泡充满了水以便确定它的体积时，泡却碎掉了，而玻义耳手头又没有另夕》的玻璃泡。
玻义耳另外还做过一次秤量空气的尝试。玻义耳把一个汽转球加热到尽可能高的温度，并用蜡封住它的注口，再让它冷却，随后进行秤量。然后，再用一根针在蜡上钻一个孔，空气便冲入，然后重新秤量这个装置。两次秤得的重量之差是11谷；玻义耳认为，一定有空气残留在这加过热的装置里。汽转球内发现盛有211/2。盎司重的水，所以“向样体积的空气和水的重力之比将是1：938” (上
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