“物理实验”一词的不同含义的探析*

朱 琴

一、问题的提出

物理学和中学物理教学中都十分重视实验。丁肇中先生说：“实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验。”阎金铎先生提出：“在物理教学的过程中，应当按照观察—实验—思维和应用的顺序展开。”两者谈到“实验”的含义完全相同吗？显然前者谈到的“实验”属于物理学科领域，后者属于中学物理教学领域，在这两个领域中“实验”的作用是不一样的。笔者通过“实验”在这两个领域中的不同作用来诠释它的含义，以期对中学物理教师有所启发和帮助。

二、物理学建立过程中“实验”的作用

1.研究背景

了解物理学是如何发展起来的，以及物理学理论与实验两者之间的关系、物理学家做实验的目的。

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中对物理学的表述：物理学是自然科学领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。物理学基于观察与实验，建构理想模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的理论体系和研究方法。

因此，可以认为物理学包括两部分，一是通过科学思维，利用数学语言建立起具有逻辑关系的理论体系，二是理论体系必须接受实验检验。理论通过演绎推理得到更多的推论进行预言，通过实验“证实”预言，也就间接“证实”了新理论，同时旧理论就被“证伪”，需要根据新的实验现象修正原来的理论或者创立新的理论，原来的理论会被摈弃或者成为新理论的一个极限情况存在，如图1所示。

图1 物理学理论与实验的关系

物理学理论是在一定范围内被证实，并不是一成不变的，随着人们对客观世界的深入认识而不断地得到发展和完善，使得物理学理论的表述更精准、更清晰时，也可能被否认，也越来越科学、越来越接近真理，当然真理是相对的。

可见，物理学中的“实验”主要是用来支撑和检验物理学理论体系，这些“物理实验”很关键且在数量上是力求少而精，它被称之为物理学“实验”，举例说明见表1。

表1 支撑和检验物理学理论体系的关键性实验

2.观点

理论体系不是在实验基础上总结归纳得出的，理论体系只需要几个关键性的实验支撑和检验，实验是理论的试金石。

实例：牛顿第二定律

牛顿第二定律是理论假说，不是由实验归纳总结得出的定律，其推论需要实验检验和支撑。牛顿第二定律与其推论之间满足理论自洽，环环相扣，一旦推论被确证，牛顿第二定律就被间接证实。

《自然哲学的数学原理》一书的构思，主要是为了解决天体问题。牛顿从牛顿第二定律出发，结合万有引力定律和微积分成功解释了开普勒行星运动定律。要验证万有引力定律是否正确，测万有引力常量实验就成了支撑整个牛顿力学体系的关键性实验。实验工作者对该定律提出一系列的问题，例如：G的精确值是多大？它是一个常量还是会随时间和地点而变化？引力是严格地与距离的平方成反比吗？它与两物体的组成相关吗？引力与物体的运动状态有关吗？对万有引力常量G的精确测量不仅具有计量学上的意义，更关键是对于检验牛顿万有引力定律及深入研究引力相互作用规律具有重要意义，是牛顿力学体系建立的基石。

由于引力相互作用极其微弱且不可屏蔽，因此，万有引力常量G是最难测定常量之一。G是历史上最早被认识和测量的物理常量，但G的测量精度仍然是物理学基本常量中最差的。300多年来，不少科学家在努力测量G值并让它更精确。2018年8月，《自然》杂志发表了中国科学家测量万有引力常量的研究，测出了截至目前最精确的G值。

3.评论

经典电磁学和爱因斯坦的广义相对论亦是由独立的几个原理和推论构成的理论体系，不是实践经验的归纳，也无法做到完全归纳。理论的正确性需无数个实验“证实”，理论的错误却只需要一个实验“证伪”，实验的功能是“证伪”。因此物理学理论只需要很少的几个关键性物理实验支撑和检验。

三、在中学物理教学中“实验”的作用

中学物理教学中的“实验”除了有物理学发展中的关键性实验和物性实验(如探究胡克定律)外，还有大量的在物理学研究内容中都不存在的自制实验，这些实验是用来有效补充学生直观经验、培养实验能力和训练实验技能的，是教师发挥自己的聪明才智创造出来的，不限数量，其目的是促进学生物理学科核心素养的形成和终身学习能力的发展，不是物理学研究的需要，与物理学“实验”作用不一样，它被称之为中学物理教学“实验”，举例说明见表2。

表2 同一“物理实验”在中学物理教学中的作用与物理学发展中的作用不同

表2 (续)

下面通过实例谈谈它在中学物理教学中的作用。

观点1：体会“物理实验”是物理学理论的基础、试金石，增强证据意识。

实例：库仑扭秤实验

库仑扭秤实验既是支撑和检验物理学理论体系的关键性实验也是中学物理教学内容，但作用却不一样。

就物理学的发展而言，库仑扭秤实验使得电学研究从定性进入定量阶段，并且在库仑定律基础上证明了高斯定律和环路定律，由此得到了静电场的性质是有源无旋场，因此库仑定律是静电场的基础。进而麦克斯韦在库仑定律、安培-毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律的基础上，得到了电磁场所遵循的规律—麦克斯韦方程组，这表明，库仑定律是整个经典电磁理论的基础，它确保了麦克斯韦方程组的精度与适用范围。因此，库仑扭秤实验是支撑和检验经典电磁学的关键性实验，精确测量静电力常量k是关键。

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中对库仑扭秤实验的教学要求是体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法，以库仑扭秤实验知识点为载体，让学生体会库仑定律建立过程中的物理学思想和方法，以及库仑扭秤实验设计巧妙之处，而不是定量精确测定静电力常量k的大小，况且在中学物理教学中也很难复现库仑扭秤实验。

观点2：中学物理教学中大量“实验”是对学生直观经验的有效补充。

实例：判断滑动摩擦力的方向

教师可以通过演示实验把物体的运动方向和相对运动方向分离出来，让学生充分感知物体的运动方向和相对运动方向不一样，在具体的物理情境中学生很容易判断出滑动摩擦力的方向是阻碍相对运动方向而不是阻碍物体的运动方向。教师创造性地开发演示实验使抽象知识可视化，带领学生经历从具体的物理事实和现象中抽象出物理概念和物理规律的过程，深入学习物理知识，在长期的示范过程中激发学生的创新潜能。

观点3：中学物理教学中的“实验”是物理实验能力培养和技能训练的有效手段。

实例：探究牛顿第二定律

人教版《高中物理(必修1)》(2019年版)中安排了一个探究牛顿第二定律的实验，目的是为了学生更好地理解和掌握牛顿第二定律而设计。同时这个实验对培养学生的物理实验能力和操作技能而言是很好的载体。本实验的原理、方案设计、装置选择、数据采集、数据表格设计、数据记录、利用化曲为直的图像法处理数据、得出实验结论等一些系列科学探究环节能很好地培养学生的实验能力和操作技能，是教师通过讲授等其他途径没法实现的。实验技能的熟练有利于知识的掌握，也是联系物理知识与物理实验能力的桥梁。

过分地强调实验的作用也会带来一些负面的影响：首先，这会带给学生一种误解，认为牛顿第二定律是在大量实验的基础上归纳总结得出的，实际上在物理学的发展史上不存在探究牛顿第二定律这个实验。其次，由于引进了探究牛顿第二定律这个实验，忽视了牛顿力学理论体系的建构过程，学生体会不到牛顿三大运动定律在牛顿力学体系中的基础性地位，不能正确理解实验与物理学理论体系之间的关系，不利于学生物理观念的形成。对于学生而言，要理解到这一点是有困难的，但作为教师，这关乎学科核心素养问题，不能含糊。

观点4：实验是物理学研究方法的不可或缺的一部分。

实例：探究滑动摩擦力的大小

在初中学生已经学习了影响滑动摩擦力大小的因素，但是高中要在定性的基础上得出定量计算式。虽然，本节内容在教材上没有明确指出是演示实验还是分组实验，但就物理学本质而言，重要的不只是掌握物理规律及其应用，而是还要让学生在经历物理规律的科学探究过程中，掌握物理学研究方法与思想，这才是学科核心素养的关键所在。

由于高中物理内容涉及很多的物理规律，这些是培养学生科学探究能力的很好的知识载体，因此每一次探究物理规律的过程都是教师榜样示范、学生亲身经历和体验物理学研究方法难得的机会。

四、结语

物理学的“实验”是理论的试金石，物理学理论体系仅需要几个关键性的实验来支撑和检验。中学物理中的“实验”既有物理实验又有教师创造性的“实验”，其作用是围绕物理教学。

教师只有明确“物理实验”的真正含义，才能更好地发挥“物理实验”在中学物理教学中的重要作用，促进学生物理学科核心素养的形成。