頭發(fā)絲直徑測量實驗
這是2016年高能所公共開放日一項公眾參與的實驗
基于光的衍射物理現象測量參與者的頭發(fā)絲直徑
約200人參與了實驗
收集記錄了167人的實驗數據
物理學家發(fā)現
除實驗數據本身以外，還有其他一些有趣的現象
......
一起來看看物理學家如何玩兒轉一根頭發(fā)絲
簡單的實驗工具
激光筆
一種常見的市售激光筆
約13元/支
包裝規(guī)格：波長650納米，功率5毫瓦
頭發(fā)絲
參與實驗的在校學生（包括小學、初中以及高中）以及學校帶隊老師、父母及零散公眾
實驗原理
衍射，光線在通過物體邊緣的時候發(fā)生的偏轉。
這種偏轉的程度取決于光線波長和開孔的相對大小。如果開孔的尺寸遠大于光的波長，光線的偏轉就很難被注意到。如果二者的尺寸相近或者相等，這種現象用肉眼就能輕易觀察到。
d=頭發(fā)直徑
m=暗帶從中心數的排序（根據方向不同可取±1, ±2 …）
θ’=衍射角
λ=激光波長
θm=sin(y)函數值為0時對應的角度
D=投影屏（白紙）與頭發(fā)之間的距離
ym=暗帶距離光束中心的距離
為減小測量衍射圖案暗點之間距離時的誤差，我們決定利用衍射圖案的第二級最暗點。從頭發(fā)絲固定座到投影衍射圖案的紙屏的距離為 1.14 米。如前所述，主要實驗參與者是學生，所以默認被測的頭發(fā)絲上沒有染發(fā)或其他美發(fā)護發(fā)等導致的染料層，因而也不會由于額外的染料層厚度導致頭發(fā)變粗干擾頭發(fā)本身的直徑測量。最終，我們給頭發(fā)直徑的測量結果加上了±22%的相對誤差。
實驗結果
實驗最終記錄了167人的實驗數據（其中3人不是中國人），測量結果的趨勢線為一條有很小負斜率的直線。
所有參與者頭發(fā)直徑測量結果（黑色實心圓點，單位為微米）的趨勢圖：
圖1：頭發(fā)直徑測量結果（黑色實心圓點）與所有實驗參與者次序的關系。兩個紅色三角（最高和最低的點）被排除。紅色直線代表對實驗結果的線性擬合（擬合公示在圖右上角）。
簡單說明：
1、大部分數據都分布在平均值92微米附近的很小區(qū)間內
2、部分數據點和擬合結果有較大的偏離，同年齡段的測量數據最大值與最小值的比值可達3倍
3、大部分結果都落在亞洲人頭發(fā)直徑的正常范圍內（80微米~120微米，平均99微米）
4、有兩個數據點和其他測量結果的趨勢有顯著的偏離，分別是最大的165微米和最小的35微米（兩個紅色三角數據點）。實驗中并未記錄到這兩名測試者有何異常，因此認為這兩個數據點是由于錯誤測量導致的，在后面的進一步研究中被排除
有趣的現象
物理學家比對實驗數據與實驗參與者的年齡和性別關系，進行了更深入地研究。
圖2：頭發(fā)直徑與實驗參與者年齡、性別的關系。紅色三角代表男性被測結果，紫色方塊代表女性被測結果。X軸代表實驗參與者的年齡。圖中有兩團和年齡有關的分離數據。圖2左側第一團數據，代表著學生的數據，他們其中最大的年齡為18歲（只有一個19歲的實驗參與者）。
第二團數據（圖2右側）代表著年長的實驗參與者（帶隊老師、父母和零散公眾），他們年齡從33歲到66歲不等。
從左側的一團來自學生的數據中，可以看出同年齡的學生的頭發(fā)直徑差異很大，即使考慮加上足夠大的誤差棒，仍舊可以在同年齡段看到3倍的差異。這表明大部分學生可能來自中國的各個地區(qū)?？上覀儧]有記錄下每個學生的祖籍來驗證這種解釋。
此外，我們還能看到一個有趣的現象：同年齡的男性頭發(fā)直徑的差異性要大于同年齡的女性。學生中出現最大差異的結果來自13至17歲的學生。目前沒有為這個現象找到一個合理的原因，不過我們相信這是一個真實的現象，計劃今年進行更精確的實驗，以證實或否定這個結果。
對于右側的數據團（較年長的參與者），同年齡間的差異性并沒有年輕的參與者這么大。這里有趣的是年長的女性和年輕的女性頭發(fā)直徑在同樣的范圍內。
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