試論研究性的物理實驗與教學中的物理實驗之異同

朱 琴

(北京市昌平區第二中學 北京 102208)

趙詩華

[中國礦業大學(北京)理學院 北京 100083]

1 問題的提出

物理學和中學物理教學都重視實驗.

丁肇中說，“實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗.”

閆金鐸先生提出：在物理教學的過程中，應當按照觀察，實驗，思維和應用的順序展開.

兩者談到“實驗”的含義完全相同嗎？

顯然前者談到的“實驗”是指物理學研究中的，后者是指中學物理教學中的，在這兩個領域中“實驗”的含義不完全一樣.

下面我們通過對比“實驗”在這兩個領域中的作用來詮釋它的含義，以期對中學物理教師有所啟發和幫助.

2 物理學建立過程中研究性的“物理實驗”

首先我們要知道物理學是如何發展起來的，物理學理論與實驗兩者之間的關系，物理學家做實驗到底是用來干什么的？

《普通高中物理課程標準》(2017年版)中對物理學的表述：物理學是自然科學領域的一門基礎學科，研究自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律.物理學基于觀察與實驗，建構理想模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的理論體系和研究方法.

因此，可以認為物理學包括兩部分，一是通過科學思維用數學語言建立起來的具有邏輯關系的理論體系，二是理論體系必須接受實驗檢驗.理論通過演繹推理得到更多的推論進行預言，通過實驗“確證”預言，也就間接“確證”了新理論，同時舊理論就被“證偽”，需要根據新的實驗現象修正原來的理論或者創立新的理論，原來的理論會被擯棄或者成為新理論的一個極限情況存在，如圖1所示.

圖1 物理學理論與實驗的關系

密立根說：“科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗.有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面.只有使用兩條腿，才能前進.”

物理學理論是在一定范圍內被證實，并不是一成不變的，隨著人們對客觀世界的深入認識而不斷地得到發展和完善，使得物理學理論的表述更精準、更清晰時，也更能被否證，也越來越科學、越來越接近真理，當然真理是相對的.

可見，物理學中的“實驗”主要是用來支撐和檢驗物理學理論體系，是物理學研究的需要，這些“實驗”很關鍵且在數量上力求少，我們稱它為研究性的“物理實驗”，舉例說明如表1所示.

表1 研究性的“物理實驗”(用來支撐和檢驗物理學理論體系)

3 中學物理教學中的“物理實驗”

中學物理教學中的“實驗”除了包含物理學研究性的實驗和物性實驗(如探究胡克定律)外，還有大量的在物理學上都不存在的自制實驗，這些實驗是用來有效補充學生直觀經驗、培養實驗能力和訓練實驗技能的，是教師發揮自己的聰明才智創造出來的，不限數量，其目的是促進學生物理學科素養的形成和終身學習能力的發展，不是物理學研究的需要，與物理學研究性的“實驗”作用不一樣，我們稱它為中學物理教學中的“實驗”.

因此中學物理教學中的“實驗”包含物理學研究性的實驗，如圖2所示，但在作用上卻有很大的不同，現舉例說明如表2所示.

圖2 物理學研究性的“實驗”與中學物理教學中的“實驗”在內容上的關系

表2 對比同一“實驗”在中學物理教學中與物理學研究中的作用

4 對比物理學研究性的“物理實驗”和中學物理教學中的“物理實驗”

下面通過實例對比研究性的“物理實驗”和中學物理教學中“物理實驗”.為了很好地說明問題，我們以牛頓第二定律為例.

實例：牛頓第二定律

(1)物理學中的牛頓第二定律

牛頓第二定律是理論假說，不是實驗歸納得出的定律，其推論需要實驗檢驗和支撐.

牛頓第二定律與其推論之間滿足理論自洽，它們環環相扣，一旦推論被確證，牛頓第二定律就被間接證實.

《自然哲學的數學原理》一書的構思，主要是為了解決天體問題.牛頓從牛頓三大運動定律出發，結合萬有引力定律和微積分成功解釋了開普勒行星運動定律，萬有引力定律是否正確，測萬有引力常量實驗就成了支撐整個牛頓力學體系的關鍵性實驗.實驗工作者對該定律提出一系列的問題，例如：G的精確值是多大？它是一個常量還是會隨時間和地點而變化？引力是嚴格地與距離的平方成反比嗎？它與兩物體的組成相關嗎？引力與物體的運動狀態有關嗎？對萬有引力常量G的精確測量不僅具有計量學上的意義，更關鍵是對于檢驗牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規律具有重要意義，是牛頓力學體系建立的基石.

由于引力相互作用極其微弱且不可屏蔽，因此萬有引力常量G是最難測定的常量之一.G是歷史上最早被認識和測量的物理常量，但G的測量精度仍然是物理學基本常量中最差的.300多年來，不少科學家在努力測量G值并讓它更精確.2018年8月，《自然》雜志發表了中國科學家測量萬有引力常量的研究，測出了截至目前最精確的G值.

(2)中學物理教學中的牛頓第二定律

高中物理教材人教版(2019年版)必修第1冊中安排了一個“探究牛頓第二定律”的實驗，目的是為了學生更好地理解和掌握牛頓第二定律而設計的.同時這個實驗對培養學生的物理實驗能力和操作技能來說是很好的載體.本實驗的原理、方案設計、裝置選擇、數據采集、數據表格設計、數據記錄、利用化曲為直的圖像法處理數據、得出實驗結論等一系列科學探究環節能很好地培養學生的實驗能力和操作技能，是教師通過講授等其他途徑沒法實現的.實驗技能的熟練有利于知識的掌握，也是聯系物理知識與物理實驗能力的橋梁.

中學物理教學中過分強調實驗的作用也會帶來一些負面的影響：首先，這會帶給學生一種誤解，認為牛頓第二定律是通過大量實驗歸納得出的，實際上在物理學的發展史上不存在“探究牛頓第二定律”這個實驗.其次，由于引進了“探究牛頓第二定律”這個實驗，也就忽視了牛頓力學理論體系的建構過程，學生體會不到牛頓三大運動定律在牛頓力學中的基礎性地位，不能正確理解實驗與物理學理論體系之間的關系，不利于學生物理觀念的形成.當然，對于學生來說，要理解到這一點是有困難的，但作為教師，這關乎到學科素養問題，不能含糊.

綜上所述，研究性的“物理實驗”是物理學理論的試金石，物理學理論體系只需要幾個關鍵性的研究性實驗來支撐和檢驗.中學物理教學“實驗”既包含研究性“物理實驗”還包含大量的教師創造性“物理實驗”，主要作用是輔助物理教學.

我們只有明確“物理實驗”的真正含義才能更好地發揮“物理實驗”在中學物理教學中的重要作用，促進學生物理學科素養的形成.