頭發(fā)絲直徑測量實(shí)驗(yàn)
這是2016年高能所公共開放日一項(xiàng)公眾參與的實(shí)驗(yàn)
基于光的衍射物理現(xiàn)象測量參與者的頭發(fā)絲直徑
約200人參與了實(shí)驗(yàn)
收集記錄了167人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)
除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身以外，還有其他一些有趣的現(xiàn)象
......
一起來看看物理學(xué)家如何玩兒轉(zhuǎn)一根頭發(fā)絲
簡單的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的在校學(xué)生（包括小學(xué)、初中以及高中）以及學(xué)校帶隊(duì)老師、父母及零散公眾
實(shí)驗(yàn)原理
衍射，光線在通過物體邊緣的時(shí)候發(fā)生的偏轉(zhuǎn)。
這種偏轉(zhuǎn)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(yuǎn)大于光的波長，光線的偏轉(zhuǎn)就很難被注意到。如果二者的尺寸相近或者相等，這種現(xiàn)象用肉眼就能輕易觀察到。
d=頭發(fā)直徑
m=暗帶從中心數(shù)的排序（根據(jù)方向不同可取±1, ±2 …）
θ’=衍射角
λ=激光波長
θm=sin(y)函數(shù)值為0時(shí)對應(yīng)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(diǎn)之間距離時(shí)的誤差，我們決定利用衍射圖案的第二級最暗點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)參與者是學(xué)生，所以默認(rèn)被測的頭發(fā)絲上沒有染發(fā)或其他美發(fā)護(hù)發(fā)等導(dǎo)致的染料層，因而也不會由于額外的染料層厚度導(dǎo)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(jié)果加上了±22%的相對誤差。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)最終記錄了167人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中3人不是中國人），測量結(jié)果的趨勢線為一條有很小負(fù)斜率的直線。
所有參與者頭發(fā)直徑測量結(jié)果（黑色實(shí)心圓點(diǎn)，單位為微米）的趨勢圖：
圖1：頭發(fā)直徑測量結(jié)果（黑色實(shí)心圓點(diǎn)）與所有實(shí)驗(yàn)參與者次序的關(guān)系。兩個紅色三角（最高和最低的點(diǎn)）被排除。紅色直線代表對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性擬合（擬合公示在圖右上角）。
簡單說明：
1、大部分?jǐn)?shù)據(jù)都分布在平均值92微米附近的很小區(qū)間內(nèi)
2、部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)和擬合結(jié)果有較大的偏離，同年齡段的測量數(shù)據(jù)最大值與最小值的比值可達(dá)3倍
3、大部分結(jié)果都落在亞洲人頭發(fā)直徑的正常范圍內(nèi)（80微米~120微米，平均99微米）
4、有兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)和其他測量結(jié)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(shù)據(jù)點(diǎn)）。實(shí)驗(yàn)中并未記錄到這兩名測試者有何異常，因此認(rèn)為這兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)是由于錯誤測量導(dǎo)致的，在后面的進(jìn)一步研究中被排除
有趣的現(xiàn)象
物理學(xué)家比對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)參與者的年齡和性別關(guān)系，進(jìn)行了更深入地研究。
圖2：頭發(fā)直徑與實(shí)驗(yàn)參與者年齡、性別的關(guān)系。紅色三角代表男性被測結(jié)果，紫色方塊代表女性被測結(jié)果。X軸代表實(shí)驗(yàn)參與者的年齡。圖中有兩團(tuán)和年齡有關(guān)的分離數(shù)據(jù)。圖2左側(cè)第一團(tuán)數(shù)據(jù)，代表著學(xué)生的數(shù)據(jù)，他們其中最大的年齡為18歲（只有一個19歲的實(shí)驗(yàn)參與者）。
第二團(tuán)數(shù)據(jù)（圖2右側(cè)）代表著年長的實(shí)驗(yàn)參與者（帶隊(duì)老師、父母和零散公眾），他們年齡從33歲到66歲不等。
從左側(cè)的一團(tuán)來自學(xué)生的數(shù)據(jù)中，可以看出同年齡的學(xué)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(xué)生可能來自中國的各個地區(qū)?？上覀儧]有記錄下每個學(xué)生的祖籍來驗(yàn)證這種解釋。
此外，我們還能看到一個有趣的現(xiàn)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(xué)生中出現(xiàn)最大差異的結(jié)果來自13至17歲的學(xué)生。目前沒有為這個現(xiàn)象找到一個合理的原因，不過我們相信這是一個真實(shí)的現(xiàn)象，計(jì)劃今年進(jìn)行更精確的實(shí)驗(yàn)，以證實(shí)或否定這個結(jié)果。
對于右側(cè)的數(shù)據(jù)團(tuán)（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(nèi)。
附件下載：
